O corpo humano é um ecossistema que contém não apenas células eucarióticas (às vezes chamadas apenas de células humanas), mas também bactérias e archaea (células procarióticas), bem como vírus, fungos, leveduras e protozoários1-2. Na verdade, as bactérias do nosso intestino contêm muito mais genes codificadores de proteínas (milhões) do que as células "humanas", que têm pouco mais de 20.000 genes codificadores de proteínas, localizados em dois pares de 23 cromossomos. O microbioma intestinal se estende do esôfago até o intestino delgado. Essas bactérias entéricas interagem com os sistemas nervosos central, autônomo e periférico como parte do eixo microbiota-intestino-cérebro. Além disso, também há neurônios no intestino ou no sistema entérico. Isso é chamado de sistema nervoso entérico (SNE).

O SNE é um ramo separado do sistema nervoso autônomo. O SNE existe em toda a extensão do trato gastrointestinal (TGI). O TGI é densamente inervado por uma rede de 200 a 600 milhões de neurônios. Esses neurônios inervam todas as regiões do TGI. O SNE influencia a fisiologia e a função do TGI, ao mesmo tempo em que se comunica com o sistema nervoso central (SNC) pelas vias vagais parassimpáticas e simpáticas. Às vezes, o SNE é chamado de nosso segundo cérebro porque contém muitos tipos de neurônios e células gliais que estão ligados em circuitos complexos, semelhantes ao cérebro em nosso crânio. O SNE regula muitos sistemas no intestino enquanto coordena as funções digestivas e defensivas no intestino. Defeitos no seu desenvolvimento no útero e/ou danos subsequentes após o nascimento podem causar vômitos, dor abdominal, constipação, síndrome do intestino irritável (SII), doença de Hirschsprung, falha no crescimento e morte precoce. Ao mesmo tempo, o SNE produz novos neurônios na vida pós-natal e na vida adulta, afetando assim nossa saúde e nosso comportamento ao longo da vida.

Muitos dos neurônios entéricos transmitem informações sensoriais do intestino para o SNC. As células gliais entéricas também são importantes no SNE. Assim como as células gliais do SNC, pensava-se originalmente que as células gliais entéricas tinham funções meramente de apoio, mas agora se sabe que elas estão ativamente envolvidas no SNE. Elas ligam os nervos entéricos, as células enteroendócrinas, as células imunológicas e as células epiteliais. As células gliais entéricas também ligam os sistemas nervoso e imunológico, além de desempenharem papéis importantes nos distúrbios gastrointestinais.

As interações ocorrem nos dois sentidos em uma rede bidirecional de comunicação que conecta o SNE ao SNC e ao restante do sistema nervoso neuroendócrino. Essa rede conecta os centros emocionais e cognitivos do cérebro com as funções intestinais por meio dos sistemas neural, endócrino e imunológico. Nosso microbioma intestinal afeta nosso comportamento, saúde, inteligência e emoções. A composição das bactérias em nosso intestino não é programada. Ela depende do que nossas mães comem quando estamos no útero e do que comemos depois que nascemos, bem como de nossa exposição a antibióticos. Nossa inteligência e nosso comportamento estão sujeitos a mudanças por meio de treinamento, educação, exposição a toxinas ambientais e até mesmo nossa dieta (que afeta nosso microbioma intestinal).

A disbiose no eixo microbiota intestinal-cérebro intestinal desempenha um papel importante no comportamento social aberrante, bem como na etiologia de várias doenças neurodegenerativas, incluindo ansiedade, depressão, autismo e doença de Parkinson. As doenças neurodegenerativas certamente podem afetar a inteligência e as emoções de uma pessoa, que não são programadas por nossos genes humanos. O microbioma intestinal e o SNE também desempenham funções importantes na manutenção da homeostase e na produção de energia, além de influenciar a obesidade. Como resultado, o SNE também é um fator importante no diabetes, nas doenças inflamatórias, no câncer colorretal, na doença renal crônica, na aterosclerose e nas doenças cardíacas. A microbiota intestinal humana também produz melatonina, o que ajuda a fazer com que o intestino tenha ritmicidade circadiana (o ciclo de 24 horas que afeta o sono e muitos processos fisiológicos).

A microbiota intestinal e o SNE podem ser considerados como um órgão enteroendócrino que tem muito mais células e DNA codificador de proteínas do que o resto do corpo humano. O TGI é um importante centro da rede de comunicação do corpo humano. Ele contém a maior concentração de células imunológicas do corpo. É uma rede que consiste em 200 a 600 milhões de neurônios e trilhões de vírus, bactérias, Archaea e Eukarya que compõem a microbiota intestinal humana. O microbioma intestinal ajuda a regular a função intestinal e interage com o restante do corpo para manter a boa saúde. A microbiota intestinal é como um condutor de comunicação entre a rede imunológica e neuroendócrina. Ou seja, a microbiota produz e secreta hormônios, responde aos hormônios secretados pelas células eucarióticas humanas e regula sua expressão.

Muitas das vias biossintéticas que produzem hormônios neuroendócrinos são encontradas em bactérias e também em células eucarióticas humanas. Portanto, a microbiota intestinal produz e responde a neuro-hormônios que são secretados em resposta a uma entrada neuronal. A microbiota pode modular o comportamento por meio de neurohormônios como a serotonina, a dopamina e a norepinefrina.

Ao mesmo tempo, esses neuro-hormônios podem alterar o crescimento, a motilidade, a formação de biofilme e/ou a virulência das bactérias. A serotonina pode ser um importante neurotransmissor no cérebro, mas 90 % dela está localizada nos intestinos. Ela é uma molécula de sinalização fundamental tanto no intestino quanto no cérebro. Além disso, a microbiota, os hormônios e as células eucarióticas humanas trabalham juntos para ajudar a manter um sistema imunológico saudável.

Dieta, exercícios, humor, saúde geral, estresse e gênero podem alterar as concentrações de hormônios que podem afetar o microbioma intestinal. O oposto também ocorre. Uma microbiota intestinal saudável pode ajudar a manter uma pessoa calma porque as bactérias afetam as concentrações dos hormônios do estresse (corticosterona e hormônio adrenocorticotrópico).

Por outro lado, a disbiose no microbioma intestinal pode contribuir para doenças autoimunes, inclusive o diabetes tipo 1. Essa forma de comunicação entre reinos foi chamada de endocrinologia microbiana. Por exemplo, a excreção de neuro-hormônios mediada pelo estresse pode alterar a expressão de genes em bactérias patogênicas no intestino. Os hormônios e os neurotransmissores afetam muitos aspectos do comportamento, que não está simplesmente ligado ao cérebro que está no crânio de uma pessoa. Nossa saúde e nosso comportamento também dependem em parte do microbioma intestinal - nosso segundo cérebro. Como resultado, nosso comportamento e nossas habilidades mentais são influenciados por nosso estilo de vida, dieta e exposição a antibióticos. Eles não são programados pelos genes que herdamos na concepção.

Entretanto, quando muitos autores escrevem sobre o número de diferentes tipos de células humanas, eles estão se referindo às células eucarióticas humanas3-4. Até 2023, o número de tipos de células humanas em adultos e crianças era estimado em pouco mais de 400, mas pelo menos uma fonte estimou que há cerca de 1.200 grupos de células 5. Também foi estimado que há um total de cerca de 36 trilhões de células em um homem de 70 kg, 28 trilhões em uma mulher de 60 kg e 17 trilhões em uma criança de 10 anos que pesa 32 kg.

Existe até mesmo um atlas de células humanas, que é um esforço internacional para construir um atlas de referência abrangente de células em todos os órgãos, tecidos e sistemas do corpo humano6. Até recentemente, os tipos de células eram identificados pela morfologia e outros fatores. Ao analisar esses grupos, era necessário obter muitas células. Isso obrigou os pesquisadores a medir as propriedades médias dessas células. As atividades e quantidades médias de muitas proteínas foram determinadas. Isso se baseou, em parte, no dogma central da biologia molecular - o DNA codifica o ARN (RNA em inglês), que codifica as proteínas, que fazem o trabalho importante nas células. Ou seja, as informações fluem do DNA para o ARN e para as proteínas. Acreditava-se que o DNA era o projeto da vida.

Entretanto, percebemos há muitas décadas que o dogma central está errado. Há uma enorme camada de controle que está acima da genética. Ela é chamada de epigenética. Ou seja, nossas células devem ser capazes de responder adequadamente às necessidades em constante mudança do organismo à medida que ele interage com o ambiente. Os genes devem ser ativados e desativados em momentos apropriados desde a concepção, passando pela gestação, desenvolvimento e todos os ciclos da vida. Portanto, a transcrição de genes em ARN é controlada por modificações epigenéticas. Coisas como açúcares, lipídios, fosfatos, grupos metil e acetil podem ser adicionados ao DNA e às proteínas para controlar a transcrição.

Além disso, as modificações epigenéticas podem controlar a tradução do RNA mensageiro em proteínas. Há muitos outros tipos de ARN, como o micro ARN (miARN), que ajuda a regular a tradução. Ainda assim, apenas a média dos tipos e quantidades de alterações epigenéticas podia ser medida até recentemente. Os avanços tecnológicos permitiram que os cientistas observassem atentamente as células individuais.

Podemos quantificar a quantidade e os tipos de moléculas de ARN e proteína que uma célula individual produz. Além disso, podemos usar métodos de detecção muito sensíveis que nos permitem quantificar muito mais proteínas e moléculas de ARN, inclusive aquelas que estão presentes em baixas concentrações. Muitas das principais proteínas e ARN que controlam o metabolismo estão presentes em baixas concentrações. Portanto, as novas tecnologias estão nos permitindo ver mais e identificar pequenas diferenças. Uma dessas técnicas é a cromatografia líquida de célula única, acoplada à espectrometria de massa (cuLC-MS)7-9.

Ou seja, uma única célula é coletada e processada para produzir uma solução aquosa que contém proteínas e ARN. A solução aquosa é injetada em uma coluna que é embalada com material que permite que os diversos tipos de proteínas e ARN sejam separados uns dos outros. À medida que cada molécula de peptídeo, proteína e ARN é lavada da coluna, ela entra em um espectrômetro de massa, que mede suas massas e abundância relativa. Isso permite que o analista meça as proteínas (o proteoma), além do ARN que é transcrito do DNA (o transcriptoma). Isso inclui a capacidade de distinguir entre diferentes formas de uma proteína (como a amiloide e a tau no cérebro), incluindo agregados proteicos formados por proteínas mal dobradas, como a β-amiloide, que forma placas no cérebro de pacientes com mal de Alzheimer.

Os agregados de proteínas podem fazer com que as células envelheçam e se tornem senescentes. Para ajudar a evitar isso, as células jovens e saudáveis usam uma classe de proteínas chamadas chaperonas moleculares. Essas proteínas preservam ou alteram a conformação tridimensional das proteínas que funcionam adequadamente. Uma delas, a ciclofilina A, interage com proteínas intrinsecamente desordenadas enquanto elas estão sendo produzidas e garante que elas mantenham as conformações adequadas e sejam mantidas em níveis suficientes para a saúde adequada. Isso é especialmente importante para as células-tronco hematopoiéticas (HSCs), que precisam sobreviver por muito tempo. As HSCs formam as células sanguíneas. Elas produzem células progenitoras que se dividem rapidamente e que, por sua vez, produzem centenas de bilhões de células. Isso atende à demanda diária de glóbulos vermelhos (que transportam oxigênio), bem como de glóbulos brancos (que combatem infecções e doenças) e plaquetas que formam coágulos sanguíneos.

Assim, a scLC-MS foi usada para analisar células cerebrais humanas e produzir mapas celulares mais detalhados do que antes10-11. Ele pode detectar e quantificar milhares de proteínas, proteoformas e modificações pós-tradução em células individuais. Mais de 3.000 tipos diferentes de células cerebrais foram identificados por um consórcio de pesquisadores. Isso fez parte de um esforço contínuo para entender o cérebro humano e sua natureza. Ele foi reunido e é financiado pela Iniciativa BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies®) dos Institutos Nacionais de Saúde. Cientistas de todo o mundo estudaram a composição celular do cérebro humano e de outros primatas. Eles estudaram a organização detalhada do cérebro humano em um nível de detalhamento sem precedentes.

Os cérebros dos mamíferos têm bilhões de neurônios e células gliais que apresentam comportamentos altamente complexos. Essas células são organizadas em várias regiões funcionais importantes com origens de desenvolvimento distintas. Cada área do cérebro contém um complemento específico de tipos de células, incluindo neurônios e células gliais. O tronco encefálico tem um conjunto muito diversificado de neurônios que podem apoiar comportamentos inatos.

Eles analisaram a variabilidade dos tipos de células cerebrais entre as pessoas. Eles descobriram que todos nós temos os mesmos tipos de células cerebrais, mas suas proporções variam substancialmente de pessoa para pessoa. Eles também compararam os tipos de células cerebrais humanas com as de chimpanzés e gorilas (nossos parentes mais próximos). Eles descobriram que compartilhamos a mesma arquitetura básica de tipos de células cerebrais com nossos primos evolucionários mais próximos. Entretanto, há mudanças nos genes usados por esses tipos de células conservadas. É importante ressaltar que muitos genes envolvidos nas conexões entre os neurônios e na formação de circuitos no cérebro são diferentes nos seres humanos e nesses primatas. Eles também compararam as células encontradas em diferentes regiões do córtex cerebral, que controla muitas das nossas funções cognitivas mais avançadas. Eles exploraram as propriedades dos neurônios inibitórios no neocórtex humano, incluindo suas propriedades elétricas e suas formas complexas em 3D, além dos genes que são transcritos.

As informações obtidas nos ajudam a entender não apenas como os cérebros saudáveis funcionam, mas também a descobrir as causas de doenças e distúrbios neurodegenerativos. Em última análise, isso pode levar a melhores tratamentos e até mesmo a curas. A próxima fase da pesquisa criará atlas muito mais abrangentes de cérebros humanos e de outros primatas por meio da Rede de Atlas Celular da Iniciativa BRAIN, ou BICAN.

Enquanto isso, outros cientistas examinaram recentemente a parte do cérebro chamada núcleo caudal do trato solitário (NcTS) 12-13. É uma parte da região do tronco cerebral que ajuda o cérebro a se comunicar com o resto do corpo. O NcTS é o principal alvo do nervo vago, que liga o cérebro em nossa cabeça ao cérebro em nosso intestino (o sistema nervoso entérico). Eles identificaram grupos específicos de neurônios dentro do NcTS e do nervo vago que ajudam a detectar e controlar a inflamação. O NcTS atua como um termostato para o sistema imunológico, ajudando a manter uma resposta equilibrada à inflamação. Os pesquisadores descobriram neurônios específicos no nervo vago e no NcTS que detectam e controlam a inflamação. Esses neurônios respondem a diferentes sinais imunológicos, incluindo citocinas pró-inflamatórias e anti-inflamatórias.

Isso pode revolucionar a maneira como tratamos uma variedade de doenças relacionadas ao sistema imunológico. Doenças como a artrite reumatoide, a esclerose múltipla e a doença inflamatória intestinal, que atualmente são tratadas, mas não curadas, podem se beneficiar de terapias que têm como alvo o controle do cérebro sobre a inflamação. Essa descoberta também pode levar a novos tratamentos para condições inflamatórias agudas, como as reações imunológicas graves observadas em algumas infecções virais, incluindo a COVID-19. O potencial de modular o sistema imunológico por meio do cérebro abre um novo campo de possibilidades no tratamento médico, oferecendo esperança de um melhor gerenciamento e, talvez, até mesmo de curas para doenças inflamatórias crônicas e agudas.

A análise de uma única célula também pode fornecer informações importantes sobre o sistema imunológico, que deve ser mantido em equilíbrio para uma boa saúde. É necessária alguma atividade para combater infecções e curar ferimentos. Entretanto, um sistema imunológico hiperativo pode causar doenças autoimunes, como a síndrome do intestino irritável (SII). Assim, os pesquisadores usaram o sequenciamento de ARN de célula única para estudar os efeitos da interleucina-23 (IL-23) em diferentes tipos de células imunológicas no intestino saudável. A IL-23 interage com as células linfoides inatas do grupo 3 (ILC3s), uma família de células imunológicas que são a primeira linha de defesa nos tecidos da mucosa, como o intestino e os pulmões. Em resposta, as ILC3s aumentam as atividades biológicas da microbiota intestinal benéfica e da proteína número 4 associada a linfócitos T citotóxicos (CTLA-4 ou cytotoxic T-lymphocyte associated protein number 4). Esse é um fator regulador que impede que o sistema imunológico ataque o corpo. Essa interação equilibra de forma crítica os efeitos pró-inflamatórios da IL-23 para manter a saúde intestinal, mas é prejudicada na SII. Portanto, os ILC3s são um elo fundamental entre os efeitos pró-inflamatórios da IL-23 no intestino. Espera-se que mais pesquisas sobre essa via nos ajudem a combater o câncer e a aliviar um efeito colateral grave da imunoterapia contra o câncer.

Nosso sistema imunológico também é muito importante no envelhecimento. O equilíbrio adequado pode retardar o envelhecimento biológico. Sistemas imunológicos desequilibrados podem acelerar o envelhecimento. Eles fazem isso por meio de alterações epigenéticas que podem ser usadas para estimar a idade biológica. Um estudo recente descreveu como os perfis de células imunológicas se relacionam com estimativas de idade biológica baseadas em relógios epigenéticos. Eles calcularam um nível de Aceleração da Idade Epigenética Intrínseca que proporcionou uma melhor compreensão do processo de envelhecimento em nível celular. Isso melhorou nossa compreensão dos relógios epigenéticos ao mostrar como vários subconjuntos de células imunológicas contribuem para o envelhecimento epigenético.

Portanto, o epigenoma é pelo menos tão importante quanto o genoma (o DNA em nossos 23 pares de cromossomos humanos). Há muitos tipos de -ômica, incluindo epigenômica, transcriptômica, proteômica, lipidômica, metabolômica e glicômica, bem como a exposômica. São as coleções de todas as modificações epigenéticas, produtos de transcrição, proteínas, lipídios, metabólitos e glicanos (carboidratos) em uma célula ou organismo, bem como os efeitos da exposição a produtos químicos ambientais.

As tecnologias de multiômica de célula única estão revolucionando a pesquisa sobre o câncer14. Agora é possível descobrir a heterogeneidade dentro dos tumores e entender as características moleculares exclusivas de diferentes populações de células. Podemos identificar subpopulações raras de células que influenciam o crescimento do tumor, a metástase e a resistência à terapia. Também estamos aprendendo mais sobre a resposta imunológica a várias terapias. Isso inclui o bloqueio do ponto de controle imunológico, a quimioterapia e a terapia celular. Também estamos aprendendo muito mais sobre o microambiente do tumor e seu impacto no prognóstico do paciente e na resposta ao tratamento. Essa abordagem interdisciplinar tem como objetivo descrever a intrincada interação entre genômica, epigenômica e outras -ômicas.

Por exemplo, um atlas de estados de células epiteliais e plasticidade em adenocarcinoma de pulmão foi produzido recentemente15. Ele nos ajuda a entender os processos celulares envolvidos no adenocarcinoma pulmonar inicial (API). Eles estudaram 246.102 células epiteliais individuais de 16 APIs em estágio inicial e 47 amostras de pulmão normal correspondentes. Foi demonstrado que as células epiteliais que apresentavam uma mutação crítica em um gene chamado KRAS eram precursoras de células cancerígenas nos pulmões. Isso proporcionou novas percepções sobre os estados das células epiteliais na raiz do desenvolvimento do API. Alguns desses estados podem ser alvos potenciais para prevenir ou curar o API.

Em outro estudo, a heterogeneidade das células de câncer pancreático foi estudada usando análise de RNA de célula única e transcriptômica espacial16. O adenocarcinoma ductal pancreático (PDAC) é uma forma de câncer altamente letal. Ele tem um cenário genético heterogêneo e um microambiente tumoral imunossupressor. Os pesquisadores analisaram os tipos de células malignas e hospedeiras. Eles aprenderam mais sobre a heterogeneidade e a plasticidade do PDAC durante a terapia.

Portanto, continuaremos a estudar os diversos tipos de células do corpo humano. Isso inclui células bacterianas em nosso intestino, células eucarióticas humanas saudáveis e a grande diversidade de células cancerígenas.

Bibliografia

1 Smith, R.E. Fibra alimentar, o microbioma intestinal e a saúde. Há uma ligação inegável entre o cérebro, o intestino e o sistema imunológico. Meer, 29 Oct., 2023. Fibra alimentar, o microbioma intestinal e a saúde | Meer.
2 Smith, R.E. O sistema nervoso entérico e o microbioma intestinal. Meer, 29 Sept., 2023. O sistema nervoso entérico e o microbioma intestinal | Meer.
3 Murugesu, J.A. We now know how many cells there are in the human body, [New Scientist], 2023. (How many cells are there in the human body? | New Scientist).
4 Mostafa, H.K.K. Different cells of the human body: Categories and morphological characters. [Journal of Microscopy and Ultrastructure] Vol. 10.2, p. 40-46, 2022. (JMAU-10-40.pdf (nih.gov).
5 Hatton, I.A., et al. The human cell count and size distribution. [Proceedings of the National Academy of Sciences], vol. 120.39, e2303077120, 2023. (The human cell count and size distribution | PNAS)
6 Human Cell Atlas, 2024. (Home - humancellatlas.org).
7 Single cell proteomics. ThermoFisher Scientific (Single-Cell Proteomics | Thermo Fisher Scientific - US).
8 Ye, X. et al. Combination of automated sample preparation and micro-flow LC–MS for high-throughput plasma proteomics. [Clinical Proteomics], vol. 20.1, p. 3, 2023.
(A High-Sensitivity Low-Nanoflow LC-MS Configuration for High-Throughput Sample-Limited Proteomics | Analytical Chemistry (acs.org).
9 Zheng, R. et al. A high-sensitivity low-nanoflow LC-MS configuration for high-throughput sample-limited proteomics. [Analytical Chemistry], vol. 95.51, p. 18673-18678, 2023. (A High-Sensitivity Low-Nanoflow LC-MS Configuration for High-Throughput Sample-Limited Proteomics | Analytical Chemistry (acs.org)).
10 Tompa, R. What makes us human? Detailed cellular maps of the entire human brain reveal clues. Allen Institute, 2023. (What makes us human? Detailed cellular maps of the entire human brain reveal clues - Allen Institute).
11 Siletti, K. et al. Transcriptomic diversity of cell types across the adult human brain. [Science], vol. 382.6667, article eadd7046, 2023. (Transcriptomic diversity of cell types across the adult human brain | Science).
12 Jin, H. et al. A body–brain circuit that regulates body inflammatory esponses. [Nature], 1-3, 2024. (A body–brain circuit that regulates body inflammatory responses | Nature).
13 Zhang, Z. et al. Deciphering the role of immune cell composition in epigenetic age acceleration: Insights from cell‐type deconvolution applied to human blood epigenetic clocks. [Aging Cell], vol. 23.3, article e14071, 2024. (Deciphering the role of immune cell composition in epigenetic age acceleration: Insights from cell‐type deconvolution applied to human blood epigenetic clocks - Zhang - 2024 - Aging Cell - Wiley Online Library).
14 Liang, A. et al. Advancements and applications of single-cell multi-omics techniques in cancer research: Unveiling heterogeneity and paving the way for precision therapeutics. [Biochemistry and Biophysics Reports], 37, 101589, 2024. (Advancements and applications of single-cell multi-omics techniques in cancer research: Unveiling heterogeneity and paving the way for precision therapeutics - ScienceDirect).
15 Han, G. et al. An atlas of epithelial cell states and plasticity in lung adenocarcinoma. [Nature], p. 1-8, 2024. (An atlas of epithelial cell states and plasticity in lung adenocarcinoma | Nature)
16 Bärthel, Stefanie, et al. Single-cell profiling to explore pancreatic cancer heterogeneity, plasticity and response to therapy. [Nature Cancer], vol. 4.4, p. 454-467, 2023. (Single-cell profiling to explore pancreatic cancer heterogeneity, plasticity and response to therapy | Nature Cancer).