Premier atlas monocellulaire intégré du poumon humain
Cet atlas élucide la diversité des types de cellules pulmonaires uniques et permet d'en apprendre davantage sur la biologie pulmonaire dans la santé et la maladie.
Est-il possible de cartographier un organe humain au niveau d'une seule cellule pour en savoir plus sur chacune d'entre elles ? Et pouvons-nous savoir à quel point ces cellules sont différentes d'une personne à l'autre ? Les chercheurs du Helmholtz Munich et leurs collaborateurs ont relevé ce défi et développé l'atlas des cellules pulmonaires humaines en utilisant des techniques basées sur l'intelligence artificielle (IA). Cet atlas élucide la diversité des types de cellules pulmonaires et permet d'en apprendre davantage sur la biologie des poumons, qu'ils soient en bonne santé ou malades. Il s'agit du premier grand organe intégré et il a été construit dans le cadre de l'initiative Human Cell Atlas (HCA), un effort de collaboration mondiale visant à cartographier l'ensemble du corps au niveau des cellules individuelles. Les résultats ont été publiés dans Nature Medicine.
Les technologies de la cellule unique, développées au cours de la dernière décennie, permettent aux chercheurs d'étudier les tissus à la résolution des cellules individuelles, donnant ainsi un aperçu des différentes fonctions des cellules qui permettent à un organe entier de fonctionner. Cependant, la création d'un ensemble de données unicellulaires est longue et coûteuse, et chaque étude ne porte généralement que sur quelques individus. Une équipe internationale de chercheurs a créé un atlas unicellulaire du poumon humain en combinant 49 ensembles de données publiés et nouvellement générés. Cela a permis de mieux comprendre la grande variété de cellules et de types de cellules existant dans nos poumons.
Le professeur Fabian Theis, directeur du Computational Health Center, directeur de l'Institute of Computational Biology à Helmholtz Munich et professeur à l'université technique de Munich (TUM), explique le projet : "Nous avons créé le premier atlas de référence intégré du poumon humain, qui comprend des données provenant de plus d'une centaine de personnes en bonne santé et révèle comment les cellules des individus varient en fonction de l'âge, du sexe et des antécédents de tabagisme. Le nombre considérable de cellules et d'individus concernés nous permet désormais d'observer des types de cellules rares et d'identifier de nouveaux états cellulaires qui n'ont pas encore été décrits". Le Dr Malte Lücken, chef de groupe à l'Institut de biologie computationnelle et à l'Institut de santé pulmonaire et d'immunité de Helmholtz Munich, ajoute : "Un atlas complet des organes nécessite de nombreux ensembles de données pour capturer la diversité entre les cellules et les individus, mais la combinaison de différents ensembles de données est un énorme défi. Nous avons développé un pipeline d'analyse comparative pour trouver la méthode optimale d'intégration de tous les ensembles de données dans l'atlas, en utilisant l'intelligence artificielle, et nous avons combiné les connaissances et les données de près de 40 études antérieures sur les poumons."
Bien que le cœur de l'atlas des cellules pulmonaires humaines soit constitué de données provenant de poumons sains, l'équipe a également pris des ensembles de données provenant de plus de 10 maladies pulmonaires différentes et a utilisé l'apprentissage automatique pour les projeter sur les données saines, afin de comprendre les états pathologiques. L'atlas offre ainsi une image particulièrement riche de la manière dont les poumons malades diffèrent des poumons sains et fournit des indications sur les cibles thérapeutiques potentielles.
Le professeur Martijn Nawijn, auteur principal de l'article et professeur au centre médical universitaire de Groningue (Pays-Bas), a déclaré : "C'est la première fois que l'on compare des poumons malades à des poumons sains : "C'est la première fois que l'on compare des poumons sains et malades dans une même étude et de manière intégrée. Non seulement notre étude confirme la présence d'une fibrose pulmonaire dans COVID-19, mais elle nous permet d'identifier et de définir un état cellulaire commun entre la fibrose pulmonaire, COVID-19 et les patients atteints d'un cancer du poumon. La découverte de ces cellules communes associées à la maladie est vraiment passionnante et révèle une manière totalement différente d'envisager les maladies pulmonaires, ouvrant la voie à de nouvelles cibles thérapeutiques et au développement de biomarqueurs de réponse au traitement. Nos résultats suggèrent également que les thérapies efficaces pour une maladie peuvent aider à en soulager d'autres.
Unir les forces en réunissant les ensembles de données
En mettant en commun et en intégrant tous les éléments de connaissances et de données générés précédemment, les chercheurs ont créé le premier atlas intégré des cellules pulmonaires humaines : Pour chacune des 2,4 millions de cellules de cet atlas, ils savent quels gènes étaient actifs dans quelle cellule, ce qui leur permet de connaître la fonctionnalité de ces cellules. Cela a permis d'étudier comment les cellules d'un individu varient en fonction de l'âge, du sexe ou de la maladie. Par exemple, Lisa Sikkema, premier auteur de l'Institute of Computational Biology, et l'équipe scientifique ont constaté que les macrophages dérivés des monocytes (un type spécifique de cellule immunitaire) présentaient une activité de gènes similaires dans le cancer, le COVID-19 et la fibrose pulmonaire, jouant probablement un rôle dans la formation de cicatrices dans les poumons dans les trois maladies. Les thérapies efficaces dans une maladie peuvent donc l'être aussi dans les autres. Sikkema remarque : "L'un des principaux problèmes rencontrés lors de la création de l'atlas intégré des cellules pulmonaires concernait l'annotation des types de cellules. Différents groupes de recherche utilisaient des noms différents pour le même type de cellule, ou le même nom pour des cellules différentes, c'est pourquoi notre équipe s'est efforcée de les normaliser en utilisant les données de l'atlas. L'atlas est un premier pas vers une annotation consensuelle du poumon humain, qui contribuera à rassembler le domaine de la recherche sur les poumons.
Le projet d'intégration de l'atlas des poumons a été un vaste effort de collaboration avec près de 100 partenaires de plus de 60 départements impliqués au niveau international, y compris des chercheurs clés du centre médical universitaire de Groningue et de l'université de Northwestern. L'équipe fait partie du réseau biologique pulmonaire Human Cell Atlas, qui trouve son origine dans les réseaux d'amorçage de l'initiative Chan Zuckerberg pour le HCA et dans le réseau pulmonaire DiscovAIR, financé par l'Union européenne. Au début de la pandémie en 2020, les communautés de chercheurs sur les poumons à cellule unique se sont rapidement réunies pour former le réseau HCA Lung Biological Network afin d'aider à comprendre COVID-19, ce qui a ensuite catalysé l'effort d'intégration de toutes les données.
Une ressource centrale pour comprendre les poumons humains dans la santé et la maladie
Les chercheurs ont rendu l'atlas entièrement accessible au public, et il devrait servir de ressource centrale pour les médecins et les scientifiques qui souhaitent mieux comprendre la biologie pulmonaire dans la santé et la maladie et développer d'autres études. Le Dr Alexander Misharin, auteur principal de l'article et professeur agrégé de médecine à la Northwestern University Feinberg School of Medicine (États-Unis), a déclaré : "L'atlas des cellules pulmonaires humaines est une source d'information précieuse pour les médecins et les scientifiques : "L'atlas des cellules pulmonaires humaines est une ressource considérable pour la communauté scientifique et médicale. Accessible aux chercheurs, il permet de cartographier de nouvelles données sur les maladies, transformant ainsi la recherche sur la biologie et les maladies pulmonaires. En tant que premier atlas de référence complet d'un organe majeur, le HLCA représente également une étape importante vers la réalisation d'un atlas cellulaire humain complet qui transformera notre compréhension de la biologie et de la maladie et jettera les bases d'une nouvelle ère de soins de santé".
Dans l'ensemble, l'atlas des cellules pulmonaires humaines est le premier exemple de la manière dont les atlas de cellules humaines à grande échelle peuvent faire progresser la recherche actuelle et future sur la santé et les maladies humaines.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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