Descubrir qué hacen nuestros 37 billones de células podría revolucionar la atención sanitaria

Tl cuerpo medio contiene unos 37 billones de células, y nos encontramos en medio de una revolucionaria búsqueda para entender lo que hacen todas ellas. Para desentrañar esto se necesita la experiencia de científicos de diferentes ámbitos -informáticos, biólogos, médicos y matemáticos-, así como nueva tecnología y algunos algoritmos bastante sofisticados.

Donde antes un microscopio primitivo, esencialmente poco más que una lupa, revelaba una nueva célula de forma directa y visceral – de la misma manera que Antonie van Leeuwenhoek descubrió el esperma en 1677- hoy es el análisis en la pantalla de un ordenador el que nos trae tales revelaciones. Pero es igual de maravilloso.

Este tipo de investigación es difícil en todos los sentidos -desde la propia ciencia hasta la sociología de los grandes equipos que trabajan en ella-, pero la recompensa puede ser enorme. Así fue para un consorcio de 29 científicos que se propusieron determinar qué tipos de células componen el revestimiento de la tráquea y dieron con un nuevo tipo de célula que podría transformar nuestra comprensión y tratamiento de la fibrosis quística.

La primera vez que el equipo, codirigido por Aviv Regev en el Instituto Broad del MIT y de Harvard – dieron con estas células, estaban estudiando un análisis de 300 células en la tráquea de ratones. Tres células no parecían corresponder a nada que se hubiera visto antes. Si hubieran sido sólo dos, podrían haberlas descartado como resultado del ruido en los datos, pero tres células extrañas justificaban una mirada más atenta.

En las bromas del laboratorio, se las conoció como las “células calientes”. Los científicos repitieron el experimento varias veces, y pronto quedó claro que realmente habían dado con un nuevo tipo de célula en la tráquea.

Resulta que otro equipo de Estados Unidos y Suiza había descubierto lo mismo de forma independiente. Los dos equipos se enteraron del trabajo del otro por casualidad en un seminario en 2017. “Fue uno de esos bellos momentos de la ciencia”, recordó Moshe Biton del equipo del Instituto Broad, “cuando dos grupos encuentran los mismos resultados por separado”.

Ambos grupos confirmaron que estas nuevas células existen tanto en las vías respiratorias humanas como en las de los ratones y, tras reunirse, acordaron publicar sus dos trabajos por separado. Estas nuevas células no se habían detectado antes, simplemente porque son muy raras: constituyen alrededor del 1% de las células de las vías respiratorias. Pero eso no significa que no sean importantes. Cuando los dos equipos analizaron en detalle lo que hacía que estas células destacaran, se encontraron con algo sorprendente.

Uno de los genes activos en estas células de la tráquea recién descubiertas resultó ser el CFTR, el gen “regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística”. Esto dio a su trabajo otro nivel de significado porque las mutaciones en este gen causan la fibrosis quística.

Exactamente cómo esta enfermedad es causada por la herencia de una versión disfuncional del gen CFTR ha sido un misterio desde que el vínculo fue descubierto en 1989. La fibrosis quística es una enfermedad compleja que suele comenzar en la infancia y cuyos síntomas suelen incluir infecciones pulmonares y dificultad para respirar. Hay tratamientos pero no hay cura.

Ahora parece que la clave para entender la causa podría estar en averiguar qué hacen estas células recién descubiertas y qué les ocurre si el gen CFTR es defectuoso. La investigación continúa.

Pero a partir de este descubrimiento, y de otras investigaciones que utilizan métodos similares, se tiene la sensación de que nuestra comprensión de las células del cuerpo se está transformando gracias a una nueva y penetrante combinación de biología e informática. Y aquí es donde están a punto de producirse aún más descubrimientos que cambiarán el juego.

La diversidad de las células humanas

Cada una de los más de 37 billones de células del cuerpo es única en cierta medida. Los tipos de células están determinados por las proteínas que contienen: por ejemplo, sólo los glóbulos rojos tienen hemoglobina, y un neurona contiene proteínas diferentes a las de una célula inmune. No hay dos células en el cuerpo que contengan exactamente las mismas cantidades de cada proteína.

El sistema inmunitario es especialmente complejo. Comprende muchos tipos de células clasificadas por su función principal: células T, células B, etc. Pero también hay innumerables variaciones sutiles de estas células T y B.Ni siquiera sabemos realmente cuántas variantes hay, pero si pudiéramos entender lo que hacen todas ellas, comprenderíamos mejor el sistema inmunitario. Esto, a su vez, nos permitiría diseñar nuevos medicamentos para ayudar al sistema inmunitario a, por ejemplo, combatir mejor el cáncer.

Un tipo de célula inmunitaria que estudia mi equipo de investigación en la Universidad de Manchester se llama célula asesina natural. En cada gota de sangre hay un millar de estas células inmunitarias, y son especialmente buenas para detectar y matar otras células que se han vuelto cancerosas o que se han infectado con un virus. De nuevo, no todas las células asesinas naturales son iguales. Un análisis ha estimado que hay muchos miles de variantes de esta célula inmunitaria en cualquier persona.

En 2020, mi laboratorio de investigación llevó a cabo un análisis que sugería que las variantes de las células asesinas naturales en la sangre podían organizarse en ocho categorías. Aunque todavía no se conocen del todo sus diferentes funciones en el organismo, es probable que algunas sean especialmente hábiles para atacar determinados tipos de virus, otras sean mejores para detectar el cáncer, etc.

Otros tipos de células inmunitarias pueden ser aún más variados. Evidentemente, las células que nos componen son tan diversas como los seres humanos que las componen, y comprender cómo trabajan juntas poblaciones de células tan complejas (en este caso, para defenderse de las enfermedades) es una frontera vital.

Utilizar el lenguaje de los algoritmos

Para penetrar en esta complejidad, hay que traducir la diversidad de las células humanas al lenguaje de los algoritmos.

Imaginemos que una célula contiene sólo dos tipos de proteínas, X e Y. Cada célula individual tendrá una cantidad específica de cada una de estas dos proteínas. Esto puede representarse como un punto en un gráfico donde el nivel de la proteína X se convierte en una posición a lo largo del eje x, y el nivel de la proteína Y en su ubicación a lo largo del eje y.

Una célula puede contener una gran cantidad de proteína X y un poco de proteína Y (lo que puede ser revelado por un citómetro de flujo mostrando que la célula se tiñe con una alta cantidad de un anticuerpo y una baja cantidad de otro anticuerpo). Esta célula puede representarse entonces como un punto situado lejos en el eje x y un poco más arriba en el eje y.

A medida que cada célula ocupa una posición en el gráfico, las que tienen niveles similares de la proteína X y también de la Y -probablemente el mismo tipo de célula- aparecen como un grupo de puntos. Si se trazan miles o millones de células de este modo, el número de grupos discretos que surgen nos indica cuántos tipos de células hay. Además, el número de puntos dentro de un grupo nos indica cuántas células hay de ese tipo.

Lo maravilloso es que esta forma de análisis puede revelar cuántos tipos de células están presentes en, por ejemplo, una muestra de sangre o una biopsia de tumor, sin estar guiados de ninguna manera sobre qué células esperamos encontrar. Esto significa que pueden aparecer resultados inesperados. Puede aparecer un grupo de puntos de datos con propiedades inesperadas, lo que implica el descubrimiento de un nuevo tipo de célula.

Por supuesto, las células necesitan más de dos coordenadas para describirlas. De hecho, en la última década, un tipo de análisis – conocido como secuenciación de una sola célula– se ha desarrollado para medir hasta qué punto las células individuales utilizan cada uno de los 20.000 genes humanos que contiene.

Cuáles de todos los 20.000 genes humanos utiliza una célula en particular, lo que se denomina el transcriptoma – pueden analizarse para crear un “mapa” de las distintas células. No podemos imaginarnos las células representadas en un gráfico con 20.000 ejes, pero un algoritmo informático puede manejar este análisis de la misma manera que lo haría uno con sólo dos variables. Las células similares se sitúan cerca, mientras que las que utilizan conjuntos de genes muy diferentes están muy separadas.

Los algoritmos para hacer esto se toman prestados de otros campos de la ciencia, como los utilizados en el análisis de las redes sociales. Luego nos pasamos días, si no años, extrayendo el resultado, descifrando lo que significa el mapa: ¿cuántos tipos de células hay, qué define sus diferencias y qué hacen en el cuerpo?

Ahora mismo, este esfuerzo se está llevando a cabo a una escala sin precedentes gracias a la Consorcio del Atlas de Células Humanas – que lleva a todo tipo de descubrimientos sobre el cuerpo humano.

El proyecto del Atlas Celular Humano

En octubre de 2016, Regev y Sarah Teichmann del Instituto Wellcome Sanger organizó un evento en Londres para que un centenar de científicos de primera línea debatieran sobre cómo trazar el mapa de cada célula del cuerpo humano. El objetivo era reuniralgo así como Google Maps para el cuerpo: “Conocemos los países y las principales ciudades, ahora necesitamos mapear las calles y los edificios”.

Un año más tarde, habían elaborado un plan específico: intentar primero perfilar 100 millones de células de diferentes sistemas y órganos, con diferentes personas de todo el mundo. Desde entonces, miles de científicos de más de 70 países de todos los contenidos habitados se han unido al consorcio: se trata de una comunidad especialmente diversa, como debe ser para un esfuerzo científico mundial de tal magnitud.

En muchos sentidos, esta nueva y audaz ambición es un descendiente directo del Proyecto Genoma Humano. Gracias a la secuenciación de todos los genes humanos contenidos en cada célula humana, finalizada oficialmente en abril de 2003, se han vinculado todo tipo de variaciones genéticas con una mayor susceptibilidad a una enfermedad concreta.

Sin embargo, las enfermedades genéticas se manifiestan en las células específicas en las que se utiliza normalmente ese gen. Por tanto, un análisis de los genes por sí solo no es suficiente: también necesitamos saber en qué parte del cuerpo humano se activan estos genes causantes de enfermedades.

El Atlas Celular Humano tiende un puente entre los códigos genéticos abstractos y el cuerpo humano. Ya hemos visto un ejemplo de su importancia: el descubrimiento del gen de la fibrosis quística utilizado por una nueva célula rara. Otro ejemplo es lo que ocurre durante el embarazo.

Desvelar los secretos del embarazo

Durante muchos años, hemos sabido que el sistema inmunitario está íntimamente ligado al embarazo. Por ejemplo, algunas combinaciones de genes del sistema inmunitario son ligeramente más frecuentes de lo que cabría esperar por azar en las parejas que han tenido tres o más abortos. Aunque todavía no entendemos a qué se debe esto, averiguarlo podría ser importante desde el punto de vista médico para resolver los problemas del embarazo.

Para abordar esta cuestión, un consorcio de científicos (codirigido por Teichmann en el marco del proyecto Human Cell Atlas) analizó unas 70.000 células de la placenta y el revestimiento del útero de mujeres que habían interrumpido su embarazo entre las seis y las 14 semanas.

La placenta es el órgano por el que pasan los nutrientes y los gases entre la madre y el bebé en desarrollo. Antes se pensaba que el sistema inmunitario de la madre debía estar desactivado en el revestimiento del útero donde se incrusta la placenta, para que ésta y el feto no fueran atacados por ser “extraños” (como un trasplante no compatible) a causa de que la mitad de los genes del feto proceden del padre. Pero este punto de vista resultó ser erróneo – o demasiado simple, por lo menos.

Ahora sabemos, gracias a una serie de experimentos que incluyen este análisis, que en el vientre materno la actividad de las células inmunitarias de la madre disminuye un poco, presumiblemente para evitar una reacción adversa contra las células del feto, pero el sistema inmunitario no se desconecta. En cambio, las células inmunitarias que conocimos antes, las células asesinas naturales, bien conocidas por matar células infectadas o células cancerosas, asumen un trabajo completamente diferente y más constructivo en el útero: ayudar a construir la placenta.

El análisis de 70.000 células realizado por los científicos también ha puesto de manifiesto que todo tipo de células inmunitarias también son importantes en la construcción de la placenta. Sin embargo, aún no está claro qué hacen todas ellas, ya que se trata de un tema que se encuentra en el límite de nuestros conocimientos.

Muzlifah “Muzz” Haniffa es una de las tres mujeres que han dirigido este análisis. Como médica y científica, ve el cuerpo desde dos perspectivas casi a diario: como un análisis computacional de células en una pantalla, y como pacientes que entran por la puerta. Ambos como piedras y el arco que forman.

Ahora mismo, estas dos visiones no encajan fácilmente. Pero con el tiempo, lo harán. En el futuro, Haniffa cree que las herramientas que los médicos utilizan a diario -como un estetoscopio para escuchar los pulmones de una persona o un simple recuento sanguíneo- serán sustituidas por instrumentos que elaboren perfiles de las células de nuestro cuerpo. Los algoritmos analizarán los resultados, aclararán el problema subyacente y predecirán el mejor tratamiento. Muchos otros médicos están de acuerdo con ella: este es el futuro de la sanidad.

Lo que esto podría significar para usted

En la actualidad, los bebés nacen de forma rutinaria mediante FIV, los trasplantes de órganos se han convertido en algo habitual y las tasas de supervivencia del cáncer en el Reino Unido se han duplicado aproximadamente en los últimos años, pero todos estos logros no son nada comparados con lo que se avecina.

Como he escrito en El Cuerpo Secretoel progreso de la biología humana se está acelerando a un ritmo sin precedentes, no sólo por laAtlas Celular, sino también en muchos otros ámbitos. El análisis de nuestros genes presenta una nueva comprensión de cómo nos diferenciamos; las acciones de las células cerebrales dan pistas sobre el funcionamiento de nuestras mentes; las nuevas estructuras encontradas en el interior de nuestras células conducen a nuevas ideas para la medicina; las proteínas y otras moléculas que circulan por nuestra sangre cambian nuestra visión de la salud mental.

Por supuesto, toda la ciencia tiene un impacto cada vez mayor en nuestras vidas, pero nada nos afecta tan profunda o directamente como las nuevas revelaciones sobre el cuerpo humano. En el horizonte, a partir de toda esta investigación, hay formas totalmente nuevas de definir, examinar y manipular la salud.

Ya estamos acostumbrados a la idea de que nuestra información genética personal puede utilizarse para orientar nuestra salud. Pero también está en marcha una revolución más silenciosa, casi secreta, que puede tener un impacto aún mayor en el futuro de la sanidad: el análisis profundo de las células del cuerpo humano.

Un día, un reloj que pueda medir unas pocas cosas sencillas sobre el cuerpo será visto como una herramienta irrisoriamente primitiva. En el futuro, tal vez dentro de unos diez años, habrá toda una nube de información disponible -incluido el análisis de las células de tu cuerpo- y tú tendrás que decidir hasta qué punto quieres profundizar en ella. Esta revolución de la biología humana nos dotará individualmente de nuevos poderes, y cada uno tendrá que decidir por sí mismo si los utiliza y cuándo.

Un día, por ejemplo, puede visitar a su médico con algo anormal en la piel: un sarpullido, un picor o cualquier otra cosa. El médico puede entonces tomar una pequeña muestra de su piel, o quizás una muestra de sangre, y a partir de un análisis completo célula por célula de lo que hay allí, ser capaz de diagnosticar con precisión el problema y conocer el mejor tratamiento. De hecho, parte de esto podría incluso automatizarse. En el futuro, si el equipo necesario para hacerlo es lo suficientemente pequeño y barato, tal vez el análisis pueda ser realizado por uno mismo en casa.

Las enfermedades también se podrán predecir con mayor frecuencia antes de que se presenten los síntomas. Por supuesto, ésta es una de las misiones más vitales de la ciencia: detener las enfermedades humanas antes de que empiecen. En el caso de algunas enfermedades, esto ya se ha conseguido con las vacunas, el agua potable y la mejora del saneamiento. Ahora, con la apertura del cuerpo humano a través del análisis computacional de las células, los genes y demás, están surgiendo nuevas formas de adelantarse a las enfermedades. Estamos obligados a aprovechar esta nueva oportunidad, pero en la práctica hay que afrontar retos y consecuencias imprevistas.

Tomemos un ejemplo familiar: la idea del índice de masa corporal, un valor derivado del peso y la altura de una persona. Se utiliza para calificarnos de bajo peso, peso normal, sobrepeso u obesidad. Es útil porque indica un mayor riesgo de que surjan problemas de salud, como la diabetes de tipo 2, y se pueden tomar medidas para reducir la probabilidad de que esto ocurra. Pero la etiqueta en sí misma también puede desencadenar otro tipo de problemas relacionados con la autoestima de la persona y con la forma en que la sociedad ve la obesidad y la diversidad humana.

Decisiones difíciles sobre el modo de vida

Todos somos susceptibles de padecer una u otra enfermedad, en cierta medida. Así que, a medida que la ciencia avanza y aprendemos más y más sobre nosotros mismos, seguramente nos encontraremos ahogados en datos sobre nosotros mismos, inundados de estimaciones y probabilidades que juegan con nuestra mente y nuestra identidad, y nos exigen tomar decisiones difíciles sobre nuestra salud y nuestra forma de vivir.

Parece factible, por ejemplo, que el estado del sistema inmunitario de una persona, analizado en profundidad, pueda ayudar a predecir los síntomas que probablemente tendrá si se infecta con el virus Sars-CoV-2, por ejemplo. Los marcadores de la actividad inmunitaria podrían incluso correlacionarse con la salud mental de una persona. Un análisis concluyó que determinadas secreciones proinflamatorias de las células inmunitarias (llamadas citoquinas) se encuentran en niveles más altos en personas deprimidas.

A medida que vayamos conociendo la composición y el estado del cuerpo humano, esto establecerá inevitablemente nuevas formas de evaluar la salud. Y es muy posible que también ayude a resolver problemas en el embarazo, como hemos visto. Pero también hay problemas en este sentido: si un análisis sugiere que hay una posibilidad de que se produzca un problema, digamos un 50%, ¿cómo se puede actuar en base a esta información si la intervención médica que podría ayudar también tiene sus propios riesgos?

Parece que el análisis métrico del cuerpo humano no tiene fin, ya que puede dar lugar a nuevas e importantes decisiones en materia de salud. Es famosa la actuación de Angelina Jolie, que en 2013 se sometió a la extirpación quirúrgica de ambos pechos y, posteriormente, de los ovarios y las trompas de Falopio, a raíz de una prueba genética que determinó que había heredado una variación concreta de un gen conocido como BRCA1. Lo más importante es que se le había dado una puntuación muy alta – 87 prepor ciento – de posibilidades de desarrollar un cáncer de mama. En general, los riesgos y probabilidades sobre nuestra salud son mucho menos claros que esto.

Así que surge la pregunta: ¿cómo vamos a actuar con toda esta nueva información? ¿Qué pasa si se ha identificado algo que significa que el riesgo de desarrollar una enfermedad autoinmune o un cáncer es uno de cada seis en los próximos diez años? ¿Sería diferente si fuera uno de cada cuatro? ¿En qué momento decidiría tomar medicamentos por precaución o someterse a una intervención quirúrgica, sabiendo que también conllevan sus propios riesgos? ¿Y este conocimiento en sí mismo le haría sentir mal? ¿Afectaría a su identidad?

No tengo las respuestas, pero esa es la cuestión. A medida que esta nueva ciencia avanza, cada uno de nosotros tendrá que decidir cuánto quiere saber realmente sobre sí mismo.

Daniel M Davis es profesor de inmunología en la Universidad de Manchester y autor de El cuerpo secreto: cómo la nueva ciencia del cuerpo humano está cambiando nuestra forma de vivir (Vintage paperback, 2022). Este artículo apareció por primera vez en The Conversation.