Znajdź zawartość

Nowe technologie pozwalają na niewykonalne dotąd badania nad zachowaniem żywych komórek. Wyniki często nie tylko zaskakują, ale wręcz zmuszają do wyrzucenia dotychczasowych poglądów na to, jak działa żywy organizm. Badania naukowców z Centrum Medycznego Uniwersytetu Stanforda rzucają całkowicie nowe światło na sygnalizację pomiędzy komórkami takiego samego rodzaju i na ich autonomię. Badania nad reakcją zespołów komórek na bodźce zewnętrze, sygnalizacją pomiędzy nimi i synchronizacją działań były do tej pory prowadzone w ograniczonym zakresie: badano całe grupy komórek. Dopiero niedawno pojawiły się technologie, pozwalające na obserwowanie pojedynczych komórek w tkance. Takie badania podjęli właśnie badacze z Uniwersytetu Stanforda, mając nadzieję, że przybliżą się do zrozumienia na przykład działania tkanki nowotworowej. Rezultaty nie tylko przerosły ich oczekiwania, ale wręcz rozbiły je w pył. Nowa technologia, która pozwoliła na zaawansowane badania, to wynaleziony trzy lata temu przez zespół Stephena Quake'a mikroukład hydrauliczny - odpowiednik elektronicznego układu scalonego. Taki układ składa się z kilku warstw silikonu, pomiędzy którymi mieszczą się mikroskopijne rury, pipety, szalki Petriego, kontrolowane przez miniaturowe zawory i wentyle. Sprzężony z odwrotnym mikroskopem pozwala nie tylko śledzić działanie pojedynczych komórek, ale ponadto prowadzić kilkadziesiąt eksperymentów jednocześnie. Skomputeryzowana całość mieści się na biurku, a badania są całkowicie automatycznie przeprowadzane wg planu i rejestrowane. Dlatego Markus Covert, pomysłodawca badań, połączył swój zespół z zespołem Quake'a dla przeprowadzenia badań. Przez rok badano reakcje komórek mysich fibroblastów na różnorodne czynniki zewnętrzne, w szczególności imitujące stany zapalne oraz zachodzące zmiany nowotworowe. Obserwując jednocześnie 96 hodowlanych kultur, przebadano w sumie około 5 tysięcy pojedynczych komórek. Wyniki były zdumiewające. Do tej pory sądzono, że komórki tego samego rodzaju reagują identycznie na dany bodziec, niczym zespół grający unisono. Tymczasem rzeczywiste zachowanie komórek autorzy badania przyrównali do zespołu jazzowego: w obrębie tkanki pojedyncze, pozornie identyczne komórki, reagują całkowicie indywidualnie: jedne generują odpowiedź, inne pozostają bierne, reakcje są przesunięte w czasie, mają różną siłę i różną częstotliwość zmian. Rezultaty reakcji tkanki jako całości są spójne i takie same, ale każda z komórek działa indywidualnie, dochodząc do nich na swój sposób. Dotychczasowe badania populacyjne nie ujawniały istnienia tak złożonych zachowań i odpowiadającej za nie sieci informacyjnej. Jak podkreślają autorzy, wyniki eksperymentu odesłały ich na powrót do tablicy i zmusiły do tworzenia od nowa koncepcji funkcjonowania zespołów komórek. Tkanka to nie jest jednolita masa, lecz zespół indywidualnych komórek, porozumiewających się chemicznie dla osiągnięcia końcowego rezultatu. Swoją nadzieję na pojęcie zachodzących procesów naukowcy ze Stanforda pokładają teraz w modelowaniu matematycznym. Zrozumienie, co się tam naprawdę dzieje, może pozwolić na opracowanie nowych leków i terapii na najcięższe choroby, wliczając to nowotwory; stawka jest więc wysoka.

Na amerykańskim Wake Forest University powstało inspirowane drukarką atramentową urządzenie, które umożliwia bezpośrednie pokrycie poparzeń czy ran komórkami skóry i tkanki łącznej. Uszkodzone miejsce zostaje skutecznie zabezpieczone, przez co wielu postrzega ten wynalazek jako alternatywę dla przeszczepów i ratunek dla ofiar pożarów, wojen lub stopy cukrzycowej. Dotąd aparat testowano wyłącznie na myszach. Teraz zamontowano go na ramie, którą można zawiesić nad pacjentem. Na wstępie laser określa rozmiar, głębokość i kształt rany. Potem dosłownie nadrukowujemy na nią komórki. Jesteśmy w stanie umieścić odpowiednie komórki tam, gdzie powinny trafić – wyjaśnia pracujący nad projektem doktorant Kyle Binder. Testy na gryzoniach pokazały, że dzięki bioprintingowi skóra goi się prędko i bezpiecznie, czym wynalazcy nie omieszkali się zresztą pochwalić na ostatnim Translational Regenerative Medicine Forum. Jak donosi Binder, cała rana zasklepia się w zaledwie 2-3 tygodnie. Gdy u innych myszy usuwano płat skóry podobnej wielkości, bez sprejowania lezja goiła się przez 5 tygodni. Uniwersyteckie Centrum Medyczne będzie się ubiegać o pozwolenie od amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA) na prowadzenie testów na ludziach. Najpierw jednak z drukarką zapoznają się świnie, których skóra przypomina ludzką. Akademicy współpracują z Instytutem Medycyny Regeneracyjnej Sił Zbrojnych Stanów Zjednoczonych, ponieważ w zamyśle ich rozwiązania mają posłużyć m.in. rannym żołnierzom. Podczas eksperymentów zespół Bindera rozpuszczał kawałki skóry, oddzielając w ten sposób i oczyszczając różne typy komórek, w tym fibroblasty (komórki tkanki łącznej właściwej) i keratynocyty (komórki naskórka biorące udział w keratynizacji). Po zakończeniu tego etapu umieszczano je w pożywce, gdzie miały się namnażać. Ostatecznie wszystko trafiało do drukarki, która najpierw nakładała warstwę fibroblastów, a następnie keratynocytów. Wynalazek może uratować życie poważnie poparzonym chorym, którzy umierają w ciągu dwóch tygodni, chyba że przejdą przeszczep skóry. Nie da się też ukryć, że po zabiegu tym pozostają blizny, a wtryskiwane komórki doskonale wpasowują się w otaczającą tkankę, prawdopodobnie dlatego, że w spreju znajdują się również komórki macierzyste.

Jednym z powodów, dla których badania nad wirusami zapalenia wątroby są znacznie utrudnione, jest brak wiarygodnego modelu do badań in vitro. Komórki pobrane z prawidłowo funkcjonującej wątroby szybko tracą swoje unikalne właściwości podczas hodowli, zaś linie nowotworowe różnią się znacznie od komórek zdrowych. Na szczęście amerykańskim badaczom udało się wreszcie opracować poszukiwany od dawna sposób na utrzymanie w hodowli prawidłowo funkcjonujących komórek wątroby. Warunkiem koniecznym dla utrzymania funkcji komórek wątroby (hepatocytów) jest ich nieustanny kontakt z fibroblastami - komórkami wytwarzającymi m.in. białka macierzy pozakomórkowej oraz czynniki wzrostu. Przygotowanie wspólnej hodowli obu typów komórek pozostawało dotychczas nieosiągalne, lecz problem ten udało się rozwiązać zespołowi dr. Alexandra Plossa z Rockefeller University. Aby umożliwić wspólną hodowlę dwóch typów komórek, badacze przygotowali specjalne płytki z naniesionymi na dno wzorami. Dzięki manipulowaniu właściwości podłoża komórki obu rodzajów przytwierdzały się do płytki tylko w określonych, z góry zaplanowanych miejscach. Zapewniało to wytworzenie hodowli o ściśle uregulowanym stosunku liczby obu typów komórek oraz wzajemnym rozmieszczeniu. Jak się okazało, doskonale zasymulowano w ten sposób strukturę miąższu wątroby, dzięki czemu możliwe stało się zachowanie prawidłowej funkcji hepatocytów. Świadczyło o tym m.in. wywołanie trwałej infekcji wirusem zapalenia wątroby typu C, którego przetrwanie i replikaja są uzależnione od zachowania przez hepatocyt jego charakterystycznych cech. Na kolejnych etapach projektu dr Ploss planuje uzyskanie kolejnych modeli, w których hepatocyty byłyby zakażane różnymi szczepami wirusa, a także podjęcie prób testowania zwalczających go leków. Można się jednak spodziewać, że nową metodę wykorzystają także inne zespoły, które przeprowadzą także inne badania.

Golce, zwane także nagimi szczurami, nie są co prawda najpiękniejszymi zwierzętami na Ziemi, lecz oporności na rozwój nowotworów możemy im co najwyżej pozazdrościć. Co jednak decyduje o tej niezwykłej właściwości? Oprócz wyjątkowej dbałości o jakość białek (pisaliśmy na ten temat niecały rok temu), ich komórki posiadają jeszcze co najmniej jedną unikalną cechę: zdolność do hamowania własnych podziałów w reakcji na zagęszczanie się struktury tkanki, będące efektem ubocznym rozrostu nowotworowego. Nagie szczury (Heterocephalus glaber) są jedynymi znanymi zwierzętami dożywającymi 30 lat, u których jak dotąd nie stwierdzono - pomimo licznych badań - przypadków nowotworów. Naukowcy z University of Rochester twierdzą, że poznali molekularny mechanizm współodpowiedzialny za tę unikalną właściwość. Zespół Very Gorbunovej zainteresował się nietypowym zjawiskiem oporności fibroblastów (komórek tworzących włókna tkanki łącznej) golców na hodowanie w warunkach in vitro. Jak zaobserwowano, rozwój hodowli zatrzymywał się całkowicie już po osiągnięciu niewielkiego zagęszczenia komórek. Zjawisko to, polegające na znacznie szybszym niż u innych gatunków zatrzymaniu wzrostu po napotkaniu innych komórek, nazwano wczesną inhibicją kontaktową (ang. early contact inhibition). Zjawisko inhibicji kontaktowej występuje prawdopodobnie u wszystkich ssaków, stwierdzono je także u człowieka. Wynika ono z aktywności białka p27, biorącego udział w regulacji tempa replikacji komórek. Okazało się jednak, że sama aktywność p27 nie wystarczała do wyjaśnienia niezwykłej oporności komórek golców na nowotworzenie. Podczas dalszych dociekań udało się ustalić, że u nagich szczurów mechanizm wczesnej inhibicji kontaktowej jest regulowany przez zupełnie inne białko, zwane p16. Jest ono aktywne także u ludzi, lecz tylko u przedstawicieli H. glaber posiada zdolność do powstrzymywania replikacji z tak wielką czułością na napotkanie innych komórek. Wygląda na to, że duet p27-p16 stanowi więc podwójną barierę przed powstawaniem lokalnych zagęszczeń struktury tkanki, charakterystycznych dla bardzo wczesnych etapów rozwoju nowotworu. Jesteśmy przekonani, że podstawowa warstwa ochrony zapewniona przez ten podwójny system inhibicji kontaktowej przyczynia się do wyjątkowej oporności nagiego szczura na nowotwory, podsumowują w streszczeniu wyników badań ich autorzy. Z całością pracy można się zapoznać dzięki czasopismu Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ważnym, choć często niedocenianym czynnikiem wpływającym na rozwój nowotworu jest tzw. mikrośrodowisko, czyli zespół warunków występujących w miejscu rozwoju patologicznej tkanki. O tym, jak wiele może zależeć od kondycji zdrowych komórek otaczających tkankę nowotworową, możemy się jednak przekonać dzięki badaniom przeprowadzonym na Ohio State University. W swoim studium, którego wyniki opublikowało czasopismo Nature, naukowcy ze Stanów Zjednoczonych postanowili sprawdzić, czy mutacje w komórkach współtworzących mikrośrodowisko mogą wpływać na rozwój nowotworu. Jako eksperymentalny model do badania tego zjawiska wykorzystano myszy chorujące na raka piersi. Materiał genetyczny badanych zwierząt zmodyfikowano tak, by zaburzyć funkcjonowanie fibroblastów - komórek wytwarzających białka tzw. macierzy międzykomórkowej, czyli zespołu cząsteczek będących bardzo istotnym składnikiem mikrośrodowiska nowotworu. Przeprowadzona modyfikacja polegała na zablokowaniu w fibroblastach aktywności genu Pten - ważnego regulatora licznych funkcji metabolicznych, którego uszkodzenie towarzyszy niektórym rodzajom nowotworu i może być powiązane m.in. z opornością choroby na leczenie. Jak wykazali badacze z Ohio, blokada Pten w fibroblastach pociągnęła za sobą istotne zmiany. Pierwszą i najważniejszą z nich było przyśpieszenie powstawania nowotworu. Oprócz tego stwierdzono m.in. poważne zmiany właściwości chemicznych mikrośrodowiska oraz napływ makrofagów (ważnej populacji komórek odpornościowych) i rozwój wywołanego przez nie stanu zapalnego, a także zwiększenie unaczynienia guza. Efektem powyższych zmian było znaczne przyśpieszenie rozwoju nowotworu. Autorom eksperymentu udało się także zidentyfikować na poziomie molekularnym przyczyny zaobserwowanych zjawisk. Jest to niezwykle ważne, gdyż każda z cząsteczek biorąca udział w tym mechanizmie jest potencjalnym celem terapii przeciwnowotworowych. Wiele wskazuje więc na to, że leczenie onkologiczne przyszłości może nie tylko niszczyć sam nowotwór, ale wpływać także na mikrośrodowisko, które mogłoby stać się mniej przyjazne dla wadliwych komórek.

Naukowcy z Uniwersytetu w Bostonie opracowali prostą, jednoetapową procedurę pozwalającą na uzyskanie komórek macierzystych z komórek dojrzałego organizmu. Sekretem opracowanej techniki jest lentiwirus, czyli cząstka zakaźna stworzona na bazie wirusa HIV. Został on pozbawiony genów odpowiedzialnych za replikację (są one "dostarczane" przez zmodyfikowane genetycznie komórki, które służą jako gospodarze konieczni do namnażania lentiwirusów), za to wzbogacono je o zestaw czterech genów pozwalających na "cofnięcie w rozwoju" komórek pobranych z organizmu dorosłych myszy. Uzyskany przez Amerykanów wirus jest w stanie zaatakować komórkę i wprowadzić do niej swoje geny, lecz nie jest zdolny do namnażania się w jej wnętrzu. Co więcej, jest on zdolny do trwałego wbudowania własnych genów do genomu gospodarza. Oznacza to, że raz zainfekowana komórka będzie już zawsze posiadała zawartą w jego wnętrzu sekwencję DNA i syntetyzowała białka w oparciu o zapisane w niej informacje. To nie pierwszy raz, kiedy wykorzystano lentiwirusy do modyfikacji komórek, lecz nikt wcześniej nie zawarł wszystkich potrzebnych do tego genów w jednej sekwencji i w jednym wirusie. Daje to gwarancję, że jeżeli dana komórka zostanie zmodyfikowana, otrzyma wszystkie cztery geny w jednym "pakiecie", co było dotychczas nieosiągalne. Co więcej, wszystkie cztery sekwencje są wprowadzane w równej liczbie kopii (za idealną uważa się w tym wypadku sytuację, gdy pojedyncza komórka jest infekowana przez pojedynczą cząstkę wirusową), dzięki czemu uzyskane komórki mają bardziej przewidywalne właściwości. W swoim eksperymencie badacze z Bostonu użyli zestawu genów, które umożliwiły przekształcenie mysich fibroblastów (komórek należących do tkanki łącznej) do postaci tzw. pluripotentnych komórek macierzystych. Posiadają one większość cech komórek macierzystych pobranych z embrionu, lecz stosowana metoda jest znacznie mniej kontrowersyjna od manipulowania zarodkami. Co więcej, nowa technika jest dziesięciokrotnie bardziej wydajna od tych stosowanych dotychczas. Wykonane badanie stanowi istotny krok naprzód, gdyż pozwala na uzyskanie komórek macierzystych na masową skalę bez wykonywania nadmiernie skomplikowanych eksperymentów. Być może uda się także uspokoić w ten sposób krytyków, uważających doświadczenia na komórkach zarodkowych za nieetyczne. Kolejnym celem zespołu, prowadzonego przez Cesara A. Sommera, jest "uzbrojenie" lentiwirusa w sekwencje umożliwiające kontrolowane usunięcie wstawionych uprzednio genów. Umożliwi to jeszcze dokładniejszą kontrolę stanu komórek, zwiększając tym samym "realizm" testów prowadzonych na uzyskanych w ten sposób komórkach pluripotentnych.

Naukowcy z uczelni Georgia Tech stworzyli w swoich laboratoriach sztuczną kość, która naśladuje zdolność swojego naturalnego odpowiednika do stopniowego "przenikania" w ścięgna i więzadła. Zastosowana metoda może znaleźć zastosowanie głównie w medycynie regeneracyjnej. Istotną cechą tkanki kostnej jest jej zdolność do wnikania pomiędzy elementy struktur takich, jak ścięgna czy więzadła, i tworzenie wspólnie z nimi złożonej sieci. Ta charakterystyczna struktura umożliwia powstanie ogromnej powierzchni styku dwóch różnych typów komórek, nadając powstającemu w ten sposób połączeniu unikalną wytrzymałość. Dotychczas brakowało sposobów na tworzenie tak złożonych połączeń, lecz wykonane przez Amerykanów badania stanowią istotny krok naprzód w tej dziedzinie. Pracujący na Georgia Tech naukowiec, prof. Andres Garcia, opisuje główne założenia projektu: jednym z największych wyzwań w medycynie regeneracyjnej jest wytworzenie stopniowo "rozrzedzającej się" struktury, ponieważ właśnie tak zbudowana jest większość tkanek. Istnieją też badania silnie sugerujące, że właśnie taka powierzchnia zapewnia lepszą spójność i zdolność do przenoszenia ciężarów. Prowadzonemu przez niego zespołowi udało się nie tylko uzyskać kość o pożądanej strukturze, lecz także wytworzyć gradient stopniowo przenikających się struktur o różnym stopniu sztywności. Co więcej, uzyskana hybryda została skutecznie wszczepiona zwierzętom laboratoryjnym na kilka tygodni. Kluczem do sukcesu okazało się stworzenie trójwymiarowego szkieletu, który został wysycony różnymi stężeniami cząsteczek retrowirusa - mikroorganizmu podobnego do wirusa HIV, zdolnego do przekazywania własnych genów komórkom, z którymi wejdzie w kontakt. Na tak przygotowaną powierzchnię naniesiono fibroblasty - komórki zdolne do wytwarzania, w zależności od rodzaju stymulacji, różnego rodzaju włokien charakterystycznych np. dla tkanki kostnej, skóry czy więzadeł. W eksperymencie zastosowano wirusa przenoszącego gen dla białka zwanego Runx2. Należy ono do tzw. czynników transkrypcyjnych, czyli protein regulujących aktywność niektórych genów. Aktywność Runx2 wywołuje m.in. powstawanie kości. Im węcej jego kopii jest wytwarzanych przez określone komórki, tym większe jest prawdopodobieństwo przyjęcia przez nie formy charakterystycznej dla kości. Jeżeli jest ich mniej, komórki rozwijają się do postaci ścięgien oraz więzadeł. Zastosowanie tak przygotowanej struktury pozwoliło na uzyskanie hybrydowej tkanki, w której elementy kości płynnie przenikają do postaci charakterystycznej dla więzadeł czy ścięgien. Tak uporządkowana architektura tkanki przypomina budowę naturalnych kości oraz ich miejsca przyczepu do mięśni (funkcję tę pełnią ścięgna) lub innych kości (więzadła). Jeżeli opracowana technologia przejdzie pomyślnie dalsze testy, możliwe będzie jej zastosowanie w medycynie, np. podczas chirurgicznej rekonstrukcji więzadeł. Zabiegi tego typu umożliwiają przywrócenie prawidłowego połączenia pomiędzy kośćmi, lecz stosunkowo często kończą się niepowodzeniem właśnie ze względu na niedoskonałość połączenia więzadła z tkanką kostną. Odpowiednia modyfikacja metody opracowanej na Georgia Tech może okazać się skutecznym rozwiązaniem tego problemu.

Paracetamol jest jednym z najpowszechniej stosowanych środków przeciwbólowych. Badacze z Wydziału Pielęgniarstwa Uniwersytetu w Granadzie wykazali jednak, że może on spowalniać regenerację kości. Olga García Martínez i zespół pobierali próbki kości. Następnie badali osteoblasty w warunkach hodowli in vitro. Osteoblasty nazywa się inaczej komórkami kościotwórczymi. Wytwarzają one substancję międzykomórkową tkanki kostnej, kontrolują także jej mineralizację. Analizy Martínez stały się punktem wyjścia dla badania kilku procesów, w przypadku których niezwykle ważna jest szybka odbudowa kości. Określone leki przeciwzapalne, np. paracetamol, powinny być przyjmowane ostrożnie, zwłaszcza w sytuacjach wymagających szybkiej regeneracji tkanki kostnej, m.in. po wszczepieniu protezy lub implantów zębów. Zamiast nich należy zażywać leki przeciwzapalne, które nie wpływają na regenerację kości. Hiszpanie nakładali też na kość osoczowy żel z czynnikami wzrostu. Zauważyli, że przyspieszało to jej wzrost, nie wpływając jednocześnie na inne parametry, takie jak cykl komórkowy czy profil antygenowy. Mimo że eksperymenty prowadzono na osteoblastach, dr Martínez twierdzi, iż żel można też stosować w przypadku fibroblastów, czyli komórek tkanki łącznej właściwej. Aplikowanie go na tkanki miękkie pomogłoby więc np. w gojeniu ran czy owrzodzenia.

Restylan to preparat zawierający stabilną postać kwasu hialuronowego. Jest wypełniaczem tkankowym, stosowanym przy czasowym korygowaniu zmarszczek. Okazuje się, że może także pobudzać skórę do produkcji kolagenu, dzięki czemu wygląda ona młodziej i promienniej. Zastrzyki z żelem obejmują najczęściej bruzdy na czole, w fałdach nosowo-wargowych, wokół ust i policzków. Kwas hialuronowy wchodzi w skład tkanki łącznej. Ponieważ ma zdolność wiązania wody, zapewnia skórze optymalną wilgotność. Przyczynia się do mnożenia i przemieszczania fibroblastów, czyli komórek twórczych tkanki łącznej właściwej. Fibroblasty wytwarzają z kolei substancję międzykomórkową, składającą się z włókien kolagenowych, sprężystych oraz siateczkowych, a także tzw. substancji podstawowej. Naukowcy z University of Michigen podkreślają, że zakres działania restylanu wykracza daleko poza opisy dostarczane przez producenta. Nawet on nie zdawał sobie sprawy z jego nowo odkrytych możliwości. Myśleliśmy, że [...] zastrzyk działa z powodu swojej wypełniającej natury. Uzupełnia ubytki, gdziekolwiek by się nie znajdowały, i człowiek zaczyna lepiej wyglądać — powiedział w wywiadzie telefonicznym dr John Voorhees, szefujący projektowi dermatolog. Teraz musimy rozszerzyć opis jego działania. Żel nie tylko wypełnia powstałe bruzdy, ale także zmusza ciało do wytwarzania własnego kolagenu. Oznacza to, że iniekcje mogą mieć długofalowe efekty. Okres półtrwania kolagenu to 15 lat. Voorhees i zespół twierdzą, że restylan nie tylko sprzyja produkcji nowego kolagenu, ale prawdopodobnie nie dopuszcza także do rozkładu już istniejącego (Archives of Dermatology). Producent preparatu (firma Q-Med AB z Uppsali) nie finansował testów ani nie ma pojęcia, co ostatecznie znalazło się w raporcie.