El sistema nervioso está compuesto por una red compleja de varios tipos celulares. Estos diferentes tipos y subtipos celulares se relacionan con una diversidad de funciones especializadas.
Los dos tipos celulares más comunes en el cerebro son las células neuronales, como las neuronas excitatorias e inhibitorias, y las células non-neuronales como las células gliales, donde se incluyen los astrocitos, oligodendrocitos y microglía, entre otras. Este conjunto de células interactúa entre si y con otras células fuera del sistema nervioso. La comunicación celular ocurre por vías de señalización dinámica e interacciones sinápticas de una manera estructurada. Los últimos datos apuntan que una media de 84.6 mil millones de células non-neuronales y de 86.1 mil millones de células neuronales responsables de un total de 150 x 1012 sinapsis en la neocorteza (1, 2). Las enfermedades o disturbios neurológicos están relacionados con una disrupción de alguna parte de este mosaico complejo e intricado, que puede surgir a través de un trauma, enfermedad o variación genética.
Poder incrementar el conocimiento sobre la aparición y progresión de una enfermedad o disturbio neurológico es uno de los grandes objetivos en el campo de la neurociencia. Para eso, es importante implementar nuevas tecnologías y metodologías experimentales que nos permitan estudiar los fenotipos y funciones celulares, la localización y morfología celular, la expresión genética celular y las vías de señalización.
Podemos obtener el perfil genético de cada célula individualizada con la tecnología innovadora de 10X Genomics. La expresión genética a nivel de célula única, que nos permite identificar estados y tipo celulares, y características moleculares, ya es una solución real e implementada con éxito en más de 280 artículos en el campo de la Neurociencia. El análisis del transcriptoma es un paso imprescindible para el estudio detallado de las enfermedades o desordenes neurológicos, pero poder combinar, por un lado, la información que se obtiene con el transcriptoma y por otro la localización espacial de las células en una muestra dada, es el mismo que juntar dos informaciones sustanciales en una sola metodología. Eso lo permite la solución desarrollada por 10X Genomics, denominada de Visium Spatial Transcriptomics.
Visium Spatial Transcriptomics es una metodología que permite el análisis del transcriptoma total en regiones anatómicamente definidas en un determinado tejido, combinando así la histología y el análisis del mRNA total, y que nos va a permitir hacer un estudio genético de las células en su contexto morfológico. Específicamente en el campo de las neurociencias, Visium Spatial Transcriptomics empieza a dar sus primeros pasos.
Para identificar las etapas iniciales de la enfermedad esclerosis lateral amiotrófica y entender mejor su progresión, en 2019, Maniatis S. et al. han utilizado la transcriptómica espacial para definir las alteraciones, durante el decurso de la enfermedad, en diferentes regiones de la médula espinal. Para eso han utilizado tanto modelos de ratón como muestras post mortem de pacientes humanos, lo que os permitió establecer los pasos clave de la degeneración de las neuronas motoras e identificar las vías asociadas a la enfermedad (3).
En 2020 se ha creado el primero mapa cerebral de ratón utilizando el transcriptoma espacial. Ortiz C. et al. han creado un atlas molecular para definir formalmente la organización espacial de las regiones cerebrales, incluyendo el código molecular para mapear e identificar los dominios neuroanatómicos discretos (4). El papel de las células microglía en casos de lesión cerebral traumática ha sido estudiado utilizando tanto el transcriptoma espacial como la expresión genética al nivel de célula única en cerebros de ratón. Este proyecto científico ha sido publicado por Willis EF., et al., donde se ha concluido que una repoblación de las células microglía puede producir un fenotipo microglial neuro protector. Esta protección es dependiente de la trans-señalización de la interleucina-6 a través de su receptor soluble, y resulta en una grande ayuda a la recuperación, aliviando los déficits cognitivos que surgen de una lesión cerebral (5).
Cheng W-T. et al. han investigado los cambios moleculares y las interacciones celulares que caracterizan las complejas alteraciones de tipo inflamatorio que se observan alrededor de las placas amiloides en la enfermedad Alzheimer. Para eso, han analizado el transcriptoma espacial en regiones con 100 μm de diámetro alrededor de las placas amiloides en modelos de ratón, y han identificado dos redes de expresión genética distintas para diferentes estados de la enfermedad (6).
Otro estudio sobre la misma enfermedad, llevado a cabo por Navarro JF et al., tras un análisis del transcriptoma espacial, ha identificado que Bok, un gen implicado en la fisiología mitocondrial y la muerte celular se encuentra regulado negativamente en el hipocampo de cerebros de ratón y humano con Alzheimer (7).
A principios de año, un estudio global hecho por Maynard KR, et al., ha definido la topografía espacial de la expresión genética de las 6 capas de la corteza prefrontal dorsolateral humana. Se han identificado expresiones genéticas especificas en cada capa y se han creado asociaciones a marcadores laminares identificados previamente. Una integración de los conjuntos de genes de trastornos neuropsiquiátricos ha posibilitado visualizar una expresión diferencial en las capas de esos genes asociados con la esquizofrenia y el trastorno del espectro autista. Esta observación demuestra la importancia clínica de definir espacialmente la expresión genética. Por último, los investigadores han desarrollado una aplicación web y una estructura de referencia para ayudar otros investigadores a estudiar otros tejidos u otras zonas del cerebro (8).
El pre-print de Tavares-Ferreira et al. demuestra cómo se ha utilizado Visium Spatial Transcriptomis para estudiar el mecanismo del dolor en cerebros humanos. Analizando 8 muestras, Tavares-Ferreira et al. han caracterizado los transcriptomas de las neuronas de los ganglios únicos de la raíz dorsal. Se han identificado nuevos marcadores humanos que están vinculados a los diez diferentes subtipos neuronales detectados (tres subtipos de mecanorreceptores de fibra A y siete de nociceptores (9).
En 2021 también se ha hecho el primero estudio del splicing alternativo del ARN en el cerebro por Joglekar A. et al. En este trabajo científico se ha investigado la expresión diferencial de isoformas en el hipocampo y la corteza prefrontal del cerebro de ratón utilizando para eso tanto el transcriptoma espacial como la expresión genética al nivel de célula única. Como resultado, se ha detectado que la expresión de estas isoformas se relaciona con el tipo celular, y que, para algunos determinados tipos celulares, se puede relacionar también con la zona del cerebro (10).
Un pre-print de Batiuk et al., ha caracterizado el impacto de la esquizofrenia al nivel celular. Para eso, los investigadores han secuenciado el RNA de núcleos únicos de más de 190 mil neuronas de la corteza prefrontal dorsolateral de pacientes con esquizofrenia y respectivos controles, y combinado esta información con el transcriptoma espacial obtenido a través de Visium Spatial Transcriptomics. Estos datos preliminares han permitido descubrir que las alteraciones al nivel de la composición y transcriptómica en las capas supragranulares de la corteza se encuentran asociadas a la esquizofrenia (11).
Estos artículos son un ejemplo claro de las ventajas que el uso de Visium Spatial Transcriptomics ofrece, no sólo en el campo de la neurociencia, sino en otros campos donde un análisis del transcriptoma tiendo en cuenta el contexto dentro del tejido es imprescindible para incrementar o complementar las respuestas a las preguntas formuladas. Estamos ansiosos por ver los avances adicionales a los que conducirá la transcriptómica espacial a medida que las mejoras de la metodología abran su uso a los tejidos FFPE y permitan la resolución al nivel de célula única.
Si desea obtener más información sobre Visium Spatial Gene Expression para el mapeo completo del transcriptoma en contexto morfológico, contáctenos o visite: https://pages.10xgenomics.com/visium-breaking-spatial-barriers.html.
https://www.10xgenomics.com/research-areas/neuroscience