Dalle cellule cerebrali alle api: una conversazione con Leonard Foster all'HUPO 2025 / From Brain Cells to Honeybees: A Conversation With Leonard Foster at HUPO 2025

Dalle cellule cerebrali alle api: una conversazione con Leonard Foster all'HUPO 2025 / From Brain Cells to Honeybees: A Conversation With Leonard Foster at HUPO 2025

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

In che modo la proteomica contribuisce a scoprire i legami tra ambiente e salute?

All'HUPO 2025, il Dott. Leonard Foster, professore di biochimica e biologia molecolare e direttore del Life Sciences Institute presso l'Università della British Columbia (UBC), ha incontrato Technology Networks per discutere di come i progressi nella proteomica a singola cellula stiano contribuendo a decodificare la diversità degli astrociti e perché la riflessione su sistemi diversi, dalle cellule cerebrali alle api, sia fondamentale per comprendere la salute.

Per Foster, studiare le cellule di supporto a forma di stella del cervello, gli astrociti, rappresenta un'opportunità per affrontare alcune delle domande più complesse della proteomica odierna. Il suo laboratorio presso l'UBC si concentra sulla proteomica quantitativa, sviluppando metodi in grado di catturare i dettagli molecolari delle singole cellule e rivelare come rispondono a fattori come infezioni e stress.

"Gli astrociti sono un tipo di cellula presente nel cervello", ha spiegato Foster.

"Sono ampiamente diffusi in tutti i diversi tipi di mammiferi, e certamente negli invertebrati, e svolgono molte funzioni diverse. Li chiamiamo astrociti nel loro insieme, ma è meglio considerarli come un gruppo molto eterogeneo di diversi tipi cellulari che non abbiamo ancora imparato a distinguere."

A suo avviso, la loro eterogeneità cellulare ed il coinvolgimento in numerose funzioni fisiologiche rendono gli astrociti tanto affascinanti quanto difficili da studiare. "Svolgono funzioni immunitarie, metaboliche e di pulizia del cervello, supportando l'attività dei neuroni e di altre cellule neuronali", ha affermato.

L'eterogeneità delle cellule le rende particolarmente adatte all'analisi delle singole cellule: "L'analisi delle singole cellule, in cui possiamo osservare cosa sta facendo ogni cellula e come ogni cellula risponde agli stimoli, rende gli astrociti un modello davvero valido per sviluppare e poi applicare la proteomica e la metabolomica delle singole cellule".

"Esistono dimorfismi sessuali piuttosto ampi negli astrociti tra maschi e femmine, in particolare nel modo in cui rispondono alle infezioni virali", ha osservato Foster. "È questo il sistema su cui ci siamo concentrati, osservando gli astrociti maschili e femminili e l'eterogeneità al loro interno, in condizioni di base, e poi anche come queste diverse sottopopolazioni rispondono ai virus".

Raggiungere la precisione a cellula singola con la tecnologia a getto d'inchiostro

Perseguire la proteomica a singola cellula per cellule complesse richiede di ripensare ogni fase del processo sperimentale. Per Foster, uno degli ostacoli più grandi è stato trovare un modo per isolare le singole cellule e prepararle per la spettrometria di massa senza perdere materiale prezioso.

"Si inizia con il capire come inserire fisicamente una singola cellula in un pozzetto di una piastra, in modo da poter poi effettuare le estrazioni proteomiche", ha spiegato. La diversità degli astrociti rende questo problema ancora più insidioso: "Questo è stato uno dei nostri ostacoli: cercare di capire quali condizioni specifiche funzionano meglio per cellule di una determinata dimensione e forma".

Ha continuato: "Gli astrociti sono eterogenei, quindi ci sono dimensioni e forme diverse anche all'interno di quel gruppo di cellule. Ciò significa che nessun sistema sembra funzionare perfettamente senza condizionamenti".

Sebbene siano stati sviluppati diversi approcci creativi per isolare singole cellule, Foster ha sottolineato che la maggior parte di questi non è compatibile con la spettrometria di massa a valle.

"Sono stati sviluppati molti metodi diversi per il sequenziamento dell'RNA di singole cellule, per far sì che una cellula entri in qualcosa... ma praticamente tutti questi metodi e strumenti fanno cose ai campioni che li rendono incompatibili con la spettrometria di massa a valle", ha spiegato.

"Ad esempio, gli approcci che utilizzano emulsioni possono portare ad una quantità eccessiva di lipidi nel campione, oscurando qualsiasi segnale che si potrebbe ottenere dalle proteine ​​utilizzando la spettrometria di massa."

Per affrontare questo problema, il suo gruppo ha adottato un approccio leggermente meno convenzionale, che utilizza la tecnologia di stampa a getto d'inchiostro per inserire le singole cellule direttamente nei pozzetti. Sebbene questi sistemi funzionino bene, Foster ha osservato che le prestazioni possono variare a seconda del tipo di cellula a causa delle differenze di dimensioni e forma.

"Uno dei dispositivi che utilizziamo è stato originariamente sviluppato da Hewlett-Packard e si basa direttamente sulla loro esperienza nella stampa a getto d'inchiostro", ha affermato Foster. "Si ottengono piccoli spruzzi di liquido, di cui è possibile controllare il volume utilizzato per distribuire il liquido nei singoli pozzetti. E se si ha un modo per rilevare, all'ugello della stampante, se una goccia contiene o meno una cellula, all'improvviso si ha la possibilità di emettere una goccia di liquido che consente di distribuire una singola cellula nel pozzetto di qualsiasi piastra si stia utilizzando. È quindi possibile ripetere il processo su tutte le piastre".

Una volta isolate le cellule, ogni passaggio è fondamentale. Foster spiega che ci sono diverse sfide da tenere presenti in questa fase. La prima è l'elaborazione del campione. Nello specifico, i vari passaggi necessari per estrarre la massima quantità di proteine, lipidi o metaboliti da una singola cellula e trasferirli in uno spettrometro di massa con perdite minime.

Foster ha osservato che "gli ultimi ostacoli consistono nel rendere lo spettrometro di massa il più sensibile possibile... ed infine, scopriamo che l'analisi dei dati è il passaggio limitante, come spesso accade in questi grandi studi omici".

Ridefinire il significato di “quantitativo”

In proteomica, ha spiegato Foster, esiste un importante equilibrio tra approfondimenti qualitativi e quantitativi. Gli approcci qualitativi aiutano ad identificare le proteine ​​specifiche coinvolte e le loro differenze tra le diverse condizioni (ad esempio, stati di salute e di malattia), mentre i metodi quantitativi misurano l'entità di tali differenze, fornendo informazioni più approfondite che guidano le funzioni ed i cambiamenti cellulari.

"Nel corso della mia carriera nella proteomica, ho sempre perseguito metodi più quantitativi", ha affermato. "Ora, sono un po' reticente, perché alcuni considerano veramente quantitativa solo la quantificazione assoluta – in cui si conosce il numero di copie per cellula od i microgrammi di un analita per millilitro di plasma – ma io non credo che sia vero".

Per Foster, i cambiamenti relativi spesso contano più dei numeri assoluti: "Si può quantificare che un campione contiene il doppio di qualcosa rispetto a un altro campione. Potremmo non sapere quante copie ci sono per cellula, ma in gran parte della biologia questo non è realmente rilevante, perché probabilmente non sappiamo nemmeno quante cellule ci siano".

Sebbene sia possibile calcolare le copie per cellula se si lavora a livello di singola cellula o si conosce il conteggio esatto delle cellule, Foster osserva che questo non è sempre rilevante nei sistemi fisiologici. "Per la maggior parte della biologia, la quantificazione relativa è davvero la cosa più importante", ha spiegato. "Ad esempio, hai quello che hai moltiplicato per tre qui, quello che hai moltiplicato per tre lì".

"Per comprendere praticamente qualsiasi paradigma biologico, penso che la conoscenza quantitativa sia fondamentale. La conoscenza qualitativa, quindi sapere solo se qualcosa è presente o meno, non è sufficiente", ha aggiunto Foster.

Realizzare il potere dell'omica integrata

Quando gli è stato chiesto all'HUPO 2025 quali temi emergenti si distinguessero e quali considerasse le direzioni più entusiasmanti nel campo, Foster ha affermato: "Penso che la proteomica a cellula singola e la sua combinazione con altri approcci omici come la multiomica a cellula singola, in genere proteomica più lipidomica o metabolomica, dominerà completamente il campo per i prossimi anni".

Foster ha osservato che la proteomica monocellulare sta ancora progredendo rapidamente, con gran parte della ricerca attuale focalizzata sul perfezionamento della tecnologia. Nei prossimi anni, si aspetta che questi metodi progrediscano abbastanza da consentire una comprensione più approfondita dei sistemi biologici.

Apprezzare il quadro generale

Oltre al suo lavoro sugli astrociti, Foster ha dedicato gran parte della sua carriera allo studio delle api mellifere: è stato proprio questo il fulcro del suo intervento all'HUPO 2025.

"Il mio laboratorio studia la salute delle api da circa 20 anni", ha detto. "Abbiamo iniziato proprio quando le api hanno iniziato a morire in numeri senza precedenti, intorno al 2007".

Ha spiegato che questa ricerca sta generando un vero e proprio "entusiasmo", spinto da "una crescente consapevolezza che le azioni che gli esseri umani stanno compiendo nei confronti dell'ambiente o dei nostri sistemi agricoli hanno un impatto che va oltre il semplice controllo delle erbacce o di qualsiasi altro elemento presente in un sistema di coltivazione".

Il messaggio più profondo a cui alludeva riguardava il valore di una visione olistica della salute e della biologia. "I pesticidi che stiamo applicando stanno colpendo gli impollinatori come le api, il che a sua volta influisce sulla qualità e sulla quantità di cibo che possiamo coltivare", ha affermato.

Foster spiega che è importante riconoscere "che i cambiamenti ambientali causati dall'attività umana, come l'aumento dei livelli di anidride carbonica, si ripercuotono sul sistema e possono influire sulla salute degli impollinatori, con effetti a catena sulla produzione alimentare".

È chiaro che per lui i legami tra salute delle api, cambiamento ambientale e benessere umano sono altrettanto importanti.

"Considerare la ricerca come qualcosa che integra tutte queste diverse parti, non solo ciò che accade nei nostri corpi, ma anche nell'ambiente, negli altri animali e nelle colture, ci aiuta a comprendere meglio la salute umana ed, in definitiva, il futuro dell'umanità", ha concluso Foster.

ENGLISH

How is proteomics helping to uncover links between the environment and health?

At HUPO 2025, Dr. Leonard Foster, professor of biochemistry and molecular biology and director of the Life Sciences Institute at the University of British Columbia (UBC), sat down with Technology Networks to discuss how advances in single-cell proteomics are helping to decode astrocyte diversity and why thinking across systems, from brain cells to honeybees, is key to understanding health.

For Foster, studying the brain’s star-shaped support cells, astrocytes, is an opportunity to address some of the toughest questions in proteomics today. His lab at UBC focuses on quantitative proteomics, developing methods that can capture the molecular details of individual cells and reveal how they respond to things such as infection and stress.

“Astrocytes are a type of cell that's found in the brain,” Foster explained.

“They're very widely dispersed in all different kinds of mammals, certainly invertebrates, and they perform a lot of different functions. We call them astrocytes as a collective, but they're better thought of as a very heterogeneous group of different cell types that we haven't really learned to distinguish yet.”

In his opinion, their cellular heterogeneity and involvement in many physiological functions make astrocytes both fascinating and difficult to study. “They perform immune functions, metabolic functions, housekeeping functions in the brain, supporting the activity of neurons and other neuronal cells,” he said.

The cells’ heterogeneity makes them particularly suited to single-cell analysis: “Single-cell analysis, where we can look at what each cell is doing and how each cell is responding to stimuli, makes astrocytes a really good model for developing and then applying single-cell proteomics and single-cell metabolomics.”

“There are quite large sexual dimorphisms in astrocytes between males and females, in particular, how they respond to viral infections,” noted Foster. “That’s the system that we've homed in on, looking at male versus female astrocytes and the heterogeneity within that, just in sort of baseline conditions, and then also how those different subpopulations respond to viruses.”

Achieving single-cell precision with inkjet technology

Pursuing single-cell proteomics for challenging cells requires rethinking each step of the experimental process. For Foster, one of the biggest hurdles has been finding a way to isolate individual cells and prepare them for mass spectrometry without losing precious material.

“It starts with figuring out how to physically get an individual cell into a well of a plate, so that we can then do the proteomic extractions,” he explained. Astrocytes’ diversity makes this problem even trickier: “That’s been one of our hurdles ‒ trying to figure out which particular conditions work best for cells of a given size and shape.”

He continued: “Astrocytes are heterogeneous, so there are different sizes and shapes even within that group of cells. That means, no one system seems to work perfectly with no biases.”

While several creative approaches have been developed for isolating individual cells, Foster pointed out that most of these are not compatible with downstream mass spectrometry.

“There are many different methods that have been developed for single-cell RNA sequencing to get one cell into something… but virtually all of those methods and instruments do things to the samples that make them incompatible with downstream mass spectrometry,” he explained.

“For example, approaches that use emulsions can lead to too much lipid in the sample, obscuring any signal you might get from your proteins using mass spectrometry.”

To tackle this problem, his team turned to a slightly less conventional approach that uses inkjet printing technology to deliver single cells directly into wells. While these systems work well, Foster noted that performance can vary between cell types because of differences in size and shape.

“One of the devices that we use was actually developed by Hewlett-Packard originally and builds directly off of their expertise in inkjet printing,” Foster said. “You have little spurts of liquid, where you can control the volume used to aliquot your liquid into individual wells. And if you have a way to detect, at the printer’s nozzle, whether a droplet contains a cell or not, then all of a sudden, you have a way of spitting out a droplet of liquid that allows you to dispense an individual cell into the well of whatever plate you're using. You can then repeat that process across all of your plates.”

Once the cells are isolated, every step counts. Foster explains that there are several challenges to be aware of at this stage. The first is sample processing. Specifically, the various steps needed to extract the maximum amount of protein, lipid or metabolite from a single cell and transfer it into a mass spectrometer with minimal losses.

Foster noted that “the final hurdles are getting the mass spectrometer as sensitive as possible… and then lastly, we find data analysis is the rate-limiting step, as it very often is in these big omics studies”.

Redefining what “quantitative” means

In proteomics, Foster explained, there’s an important balance between qualitative and quantitative insights. Qualitative approaches help to identify the specific proteins involved and how they differ between conditions (e.g., healthy and diseased states) while quantitative methods measure the extent of those differences, providing deeper insights that drive cellular functions and change.

“Throughout my career in proteomics, I've always been pursuing more quantitative methods,” he said. “Now, I kind of hedge there, because some people consider only absolute quantitation ‒ where you know the number of copies per cell or the micrograms of an analyte per milliliter of plasma ‒ to be truly quantitative, but I don't think that's true.”

For Foster, the relative changes often matter more than absolute numbers: “You can quantify that one sample has twice as much of something as another sample. You might not know how many copies there are per cell, but in a lot of biology, that's not really relevant, because you probably don't even know how many cells there are.”

While it’s possible to calculate copies per cell if you’re working at the single-cell level or know the exact cell count, Foster notes that this isn’t always relevant in physiological systems. “For most biology, relative quantitation is really the most important thing,” he explained. “For example, you’ve got whatever three times here, what you have there.”

“For understanding just about any biological paradigm, I think that quantitative knowledge is crucial. The qualitative knowledge, so just knowing if something's present or not isn’t enough,” Foster added.

Realizing the power of integrated omics

When asked at HUPO 2025 which emerging themes stood out and what he saw as the most exciting directions in the field, Foster said: “I think single-cell proteomics, and its combination with other omics approaches such as single-cell multiomics ‒ typically proteomics plus lipidomics or metabolomics ‒ is going to completely dominate the field for the next several years.”

Foster noted that single-cell proteomics is still advancing rapidly, with much of the current research focused on refining technology. Over the next few years, he expects these methods to advance enough to drive deeper insights into biological systems.

Appreciating the bigger picture

In addition to his work on astrocytes, Foster has devoted much of his career to studying honeybees ‒in fact, that was the focus of his talk at HUPO 2025.

“My lab has studied honeybee health for about 20 years,” he said. “We got started just as honeybees started dying at unprecedented numbers, around 2007.”

He explained that this research has been generating real “buzz”, driven by “an increased recognition that the things that humans are doing to either the environment or to our agricultural systems are having an impact beyond just controlling weeds or whatever it is in a crop system.”

The deeper message he was alluding to was about the value of a holistic view of health and biology. “The pesticides that we're applying are affecting pollinators such as the honeybee, which in turn affects the quality and quantity of food we can grow,” he said.

Foster explains that it’s important to recognize “that environmental changes driven by human activity ‒ such as rising carbon dioxide levels ‒ feed back into the system and can affect pollinator health, with knock-on effects for food production”.

It’s clear that the connections between bee health, environmental change and human wellbeing are, for him, equally important.

“Viewing research as something that integrates all these different parts ‒ not just what’s happening in our own bodies, but also in the environment, other animals and crops ‒ helps us better understand human health and, ultimately, the future of humanity,” concluded Foster.

Da:

https://www.technologynetworks.com/tn/articles/from-brain-cells-to-honeybees-a-conversation-with-leonard-foster-at-hupo-2025-407014