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Zellen sind die Grundeinheiten des menschlichen Körpers. Sie sind somit der Schlüssel für das biologische Verständnis, was Gesundheit ist und wie molekulare Funktionsstörungen zu Krankheiten führen. Das langfristige Ziel des Projekts «Human Cell Atlas» (HCA) ist es, einen gemeinsamen und frei zugänglichen Referenzatlas sämtlicher Zellen im gesunden Körper des Menschen zu erstellen. Damit lassen sich nicht nur grundlegende Prozesse der menschlichen Biologie, sondern auch Diagnose, Überwachung und Behandlung von Krankheiten viel umfassender verstehen. Im Kern wird der Zellatlas eine Sammlung von zellulären Referenzkarten sein, der die vielen humanen Zelltypen, ihre Eigenschaften sowie ihre Lage im Gewebe und im Körper charakterisiert.
Einmal eingerichtet, wird der HCA der Wissenschaft ermöglichen, die biologischen Veränderungen, die mit Krankheiten verbunden sind, systematisch zu untersuchen. Er wird helfen zu verstehen, wo im Körper Gene aktiv sind, die mit Krankheiten einhergehen. Mithilfe des Zellatlas wird man analysieren können, wie die molekularen Mechanismen die Produktion und Aktivität verschiedener Zelltypen steuern, wie sich unterschiedliche Zelltypen zu Geweben verbinden, und wie sie zusammenarbeiten. Gleichzeitig wird man besser verstehen, wie genetische Varianten das Krankheitsrisiko beeinflussen, wie sich die Toxizität von Medikamenten besser bestimmen und wirksamere Therapien entwickeln lassen.
In einem ersten Schritt wird das HCA-Projekt detaillierte Profile von 30 bis 100 Millionen Zellen aus wichtigen Geweben und Systemen von gesunden Menschen erstellen – sowohl einzeln als auch in ihrem Gewebekontext. Dazu arbeiten Experten aus Biologie, Medizin, Genomik, Technologieentwicklung und Computerberechnungen (inkl. Datenanalyse, Software-Engineering und Visualisierung) aus vielen Ländern zusammen. Eine der beteiligten Forschungsgruppen leitet Mark Robinson, Assistenzprofessor am Institut für Molekulare Biologie der Universität Zürich.
Im April erhielt der UZH-Experte für Statistische Genomik einen Grant der Chan Zuckerberg Initiative (CZI), die das HCA-Projekt unterstützt. Mit 15 Millionen Dollar für ein Jahr fördert die CZI insgesamt 85 Forschungsprojekte an 53 Institutionen und in neun Ländern auf vier Kontinenten. «Um verschiedene Zell- und Gewebetypen sowie Proben menschlicher Zellen und Gewebe von Labors aus aller Welt konsistent vergleichen zu können, brauchen wir standardisierte experimentelle und computergestützte Methoden», sagt Mark Robinson. Die Projekte konzentrieren sich folglich darauf, frei zugängliche Computertools, Algorithmen, Visualisierungen und Benchmark-Datensätze zu entwickeln. Mithilfe dieser Werkzeuge sollen Forschende weltweit mit den vielfältigen molekularen und bildgebenden Daten arbeiten können, die von den HCA-Wissenschaftlern erzeugt werden.
Robinson konzentriert sich in seinem Projekt auf die Analyse grosser Datensätze von Einzelzellen, die aus Analysen der RNA-Sequenzierung oder der Zellzytometrie im Grossmassstab stammen, um in diesem Datenmeer interessante Muster zu entdecken. «Für uns ist die Wissenschaft die Methode selbst», betont er. Sein Team entwickelt statistische Methoden und Softwaretools, um die gewaltigen Datensätze zuverlässig aufbereiten und interpretieren sowie Benchmarks erstellen zu können, die andere Methodenentwickler für ihre Arbeit nutzen können. Für das CZI-Projekt entwickeln sie spezielle Werkzeuge, um zelltypspezifische Veränderungen im Zustand – etwa den Aktivierungsstatus von Immunzellen – zu erfassen. «Mit unseren Methoden lassen sich beispielsweise biologisch interessante Zelltypen entdecken und beschreiben oder molekulare Merkmale erkennen, mit denen sich vorhersagen lässt, ob ein Patient auf eine Therapie anspricht», ergänzt Robinson.
