Het klinkt als monnikenwerk om álle cellen in ons lichaam in kaart te brengen. Toch is dat precies wat wetenschappers met de Human Cell Atlas hebben geprobeerd voor elkaar te krijgen. Als aanvulling daarop hebben onderzoekers nu ook de relatie bestudeerd tussen het aantal cellen in het menselijk lichaam en de grootte ervan. Daarbij ontdekten ze een opmerkelijk patroon.
Cellen, de bouwstenen van leven, hebben een specifieke omvang die gelijk is bij alle zoogdieren, waarbij grotere dieren meer cellen hebben dan kleinere. Deze consistente celgrootte past bij hun functies: afwijkingen wijzen vaak op ziektes. Celtypen, zoals neuronen of spiercellen, hebben een bepaalde grootte die essentieel is voor hun taken. Maar hoewel eerder onderzoek uitwijst dat er zo’n 30 tot 37 biljoen menselijke lichaamscellen zijn, was er tot nu toe weinig bekend over de relatie tussen de celgrootte en het aantal cellen.
Bijna 5 kilo aan rode bloedcellen
Daar brengt deze nieuwe studie verandering in. Waar de Human Cell Atlas elk celtype in kaart wil brengen, biedt dit onderzoek meer inzicht in de grootte, het aantal en de functie van cellen. De onderzoekers verzamelden data over celgroottes van drie anatomische modellen: een man, een vrouw en een kind van 10. Ze wisten vierhonderd unieke celtypes te identificeren in zestig verschillende weefsels.
Het mannelijke model bleek 4,7 kilo aan rode bloedcellen te hebben, verdeeld in 53 typen in 30 weefselsystemen. Het mannelijke brein heeft naar schatting 88 miljard neuronen en een vergelijkbaar aantal non-neuronen. Verder was er bijvoorbeeld 13,3 kilo aan massa van vetcellen verspreid over onderhuidse en viscerale delen van het lichaam. Op deze manier is de verspreiding en de omvang van alle cellen in het menselijk lichaam samengevat in de Human Cell Treemap.
Vitale weefsels
Zo weten we nu tot in detail de groottes van spiervezels voor alle grote spiergroepen, maar ook de grootte van neuronen en gliacellen in het perifere en centrale zenuwstelsel. Ook is de omvang van bloedcellen bekend vanaf het moment dat ze ontstaan in het beenmerg tot hun verspreiding in de grote organen en weefsels. Bovendien is er uitgebreid gekeken naar weefsels die vitaal zijn voor de menselijke gezondheid, zoals het spijsverteringsstelsel en de vrouwelijke voortplantingsorganen.
“De resultaten gelden voor alle cellen in het lichaam. Ze impliceren het bestaan van grootschalige patronen die in alle cellen van het lichaam voorkomen. Zowel de distributie van de totale cellulaire biomassa als de variatie in celgrootte zijn relatief constant in de verschillende celgroepen. Deze patronen omvatten zeven ordes van grootte”, vertelt onderzoeker Ian Hatton van het Max Planck Institute in Leipzig aan Scientias.nl.
Verschil in celgrootte en aantal
Zo is een duidelijk beeld ontstaan van de omvang van menselijke cellen waarbij rode bloedcellen een miljoen keer kleiner zijn dan myocyten, oftewel spiercellen. Er zijn ook patronen zichtbaar geworden als het gaat om de distributie tussen cel-aantal en biomassa. Vooral van de bloedplaatjes, rode bloedcellen en witte bloedcellen zijn de aantallen groot. Spier- en vetcellen hebben vooral een grote massa.
Maar hoe zit het dan met de verschillen tussen mannen, vrouwen en kinderen? “De grootste verschillen in celgrootte tussen de verschillende anatomische modellen zijn gevonden in spiercellen. Het is waarschijnlijk dat kinderen en volwassenen geen grote verschillen hebben in de aantallen van zulke myocyten en dat veel eerder de grootte van deze cellen varieert tussen personen. De grootste verschillen in aantallen cellen vinden we aan de andere kant van het spectrum, bij de kleine rode bloedcellen”, aldus Hatton.
Een muis versus een blauwe vinvis
Uiteindelijk is de conclusie dat er een omgekeerd verband is tussen de omvang van een cel en het aantal cellen: als de celgrootte toeneemt met een bepaalde factor, dan neemt zijn aantal af met dezelfde factor en vice versa.
“We waren verrast dat er een vrij regelmatige omgekeerde relatie bestaat tussen de omvang en het aantal cellen in het hele menselijk lichaam. Dit patroon omvat zeven celgroottes, van de kleine rode bloedcellen tot de grootste spiercellen. Die kun je vergelijken met de grootte van een spitsmuis vergeleken met die van een blauwe vinvis. Een gelijkaardig wiskundig patroon is in hele verschillende onderzoeksvelden ontdekt en kan inzicht verschaffen in het ontwikkelingsproces dat eraan voorafgaat”, legt de wetenschapper uit.
Asteroïden
Waar dit patroon vandaan komt is nog onduidelijk, maar veel factoren kunnen van invloed zijn. “We weten nog niet precies hoe het kan dat het aantal cellen afneemt als de grootte van een cel toeneemt. Wel zien we een gelijksoortige uitruil tussen omvang en aantal in verschillende weefsels, maar ook bij heel verschillende fenomenen, zoals bij zeeleven – van bacteriën tot walvissen – of zelfs bij steden of asteroïden. Maar er is een diepgaand idee dat deze uitwisseling gerelateerd is aan celgroei en celdeling”, verklaart Hatton.
Gat in huidig onderzoek
De studie kan helpen om immuunfuncties beter te begrijpen, de schatting van het aantal lymfocyten (witte bloedcellen) te verfijnen en helpen bij cel-identificatietechnieken in toekomstig onderzoek.
“Op dit moment wordt er gewerkt aan een enorm project om de moleculaire profielen van alle cellen in het menselijk lichaam in kaart te brengen, de Human Cell Atlas. Dit wordt vaak vergeleken met het Human Genome Project. Alleen ontbreekt het bij dit initiatief aan een holistisch kwantitatief raamwerk van basale celparameters, zoals de celgrootte en het aantal, dat zou helpen om de bevindingen van de Human Cell Atlas in de juiste context te plaatsen en de resultaten in de klassieke celbiologie in te passen. Onze studie levert dit hiërarchische kader voor de lichamen van een man, een vrouw en een 10-jarig kind en vult daarmee een groot gat in het huidige onderzoek”, besluit Hatton.
