Buňky budoucnosti
6. 4. 2012
Pozoruhodné výsledky přinesl výzkum odborníků z Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně. Naši vědci přispěli k odhalení zásadní změny v lidských embryonálních kmenových buňkách, a to na části chromozomu, který nese gen regulující řízenou buněčnou smrt. Zjistili, že uměle kultivované lidské embryonální kmenové buňky využívají podobné mechanismy jako buňky nádorové. Toto zjištění může přispět k dalšímu boji s nádorovými buňkami. Objevený gen může dokonce signalizovat, že se buňky s jeho pomocí lépe přizpůsobují kultivačním podmínkám.
Medicína si dnes dokáže poradit s mnoha chorobami.
Některé z nich však stále ještě léčit neumí. Patří k nim například
autismus nebo vrozené srdeční vady. Vědci z Masarykovy univerzity
v Brně nyní pokládají základy k nové léčbě těchto onemocnění. Právě v tomto obrovském výzkumném centru, které
bylo otevřené teprve v roce 2010, sídlí také Biologický ústav Lékařské
fakulty. Jedna ze skupin vědců se tu zabývá mikroskopickým světem našeho těla.
V počátcích zárodečného vývoje embrya nastává základní proměna. Embryonální kmenové buňky postupně vytvářejí buňky jednotlivých orgánů. Od jednobuněčného oplozeného embrya se postupně vyvíjí množství dalších kmenových buněk. Ty se poté specializují na více než dvě stě různých typů buněk dospělého organismu. S postupujícím vývojem vznikají kmenové buňky různých tkání, které se později starají o regeneraci našeho dospělého těla.
Prof. Ing. Petr Dvořák, CSc., prorektor pro výzkum, Masarykova univerzita: Embryonální kmenové buňky, ty jaksi stojí na vrcholu té hierarchie kmenových buněk, a to zejména proto, že ta jejich druhá schopnost, schopnost diferencovat, vytvářet ty specializované buněčné typy je jaksi nejširší.
Embryonální kmenové buňky jsou totiž schopny vytvořit jakoukoliv specializovanou buňku, kterou dokážeme najít v lidském těle. Tato schopnost kmenových buněk vedla vědce ke zkoumání možností jejich lékařského využití. Tým vedený profesorem Petrem Dvořákem se výzkumu věnuje již deset let.
Profesor Ing. Petr Dvořák, CSc., je přednostou Biologického ústavu Lékařské fakulty Masarykovy univerzity a prorektorem pro vědu. Magistr Vladimír Rotrekl, Ph.D., je vedoucí výzkumné skupiny genomové nestability lidských embryonálních kmenových buněk. Carlo Meli Albano, Ph.D., je odborný asistent a Yuh-Man Sun, MSc., Ph.D. je vedoucí jednoho z výzkumů.
Když v roce 1998 jako první izoloval lidské embryonální kmenové buňky James Thomson, začalo se uvažovat o jejich využití pro léčbu. Zjednodušeně řečeno, získané kmenové buňky by nahradily buňky nefunkční nebo chybějící. Pro takovou terapii by jich bylo potřeba desítky miliónů až několik miliard. Tolik se jich dá ale získat jedině množením v laboratořích.
Jako základ slouží buňky z embryí, která nejsou dostatečně kvalitní pro léčbu neplodnosti. Jsou ve stadiu blastocysty, což je fáze přibližně pět dní po oplození vajíčka. Na jednom konci blastocysty se nachází skupinka několika desítek buněk.
Prof. Ing. Petr Dvořák, CSc., prorektor pro výzkum, Masarykova univerzita: Jednoduchost embrya právě v této fázi vývoje je zřejmě důvodem, proč se nám podařilo v podmínkách in vitro s embryonálními kmenovými buňkami pracovat, protože v tomto stádiu embryo ještě nekomunikuje dostatečně s mateřským organismem. Ono putuje vejcovodem a dostává se do dělohy.
Embryo ještě není v kontaktu s děložní stěnou, musí si vystačit samo. Příroda to zařídila tak, že požadavky na výživu jsou velice prosté. Toho si všimli vědci a usoudili, že jednoduché podmínky by dokázali v laboratoři napodobit.
Dospělé kmenové buňky se už v laboratorních podmínkách množit nedají. Jejich nároky jsou už mnohem větší. Proto se při transplantaci kostní dřeně leukemickým pacientům využívá taková směs buněk od dárce, která obsahuje i ty kmenové. U mnoha tkání a orgánů, kde je obrovské množství buněk, se ale právě ty kmenové buňky dokážou vědcům úspěšně skrývat.
Udržování a množení lidských embryonálních kmenových buněk v laboratorních podmínkách s sebou přináší mnohá úskalí. Jedním z nich je i to, že kultivační média, na kterých se tyto buňky pěstují, jsou založena na zvířecích bílkovinách. Ty by pak samozřejmě při léčbě vyvolaly bouřlivou imunitní reakci.
Vědci z brněnské Masarykovy univerzity přispěli k řešení tohoto problému právě vývojem média, které zvířecí proteiny neobsahuje. Přispěli také k odhalení, že v embryonálních kmenových buňkách při dlouhodobé kultivaci bohužel dochází ke změnám DNA.
Prof. Ing. Petr Dvořák, CSc., prorektor pro výzkum, Masarykova univerzita: Vyvstaly takové významné otázky, zda některá z těch jemných genetických změn, nemůže znamenat to, že bychom sice člověku vrátili funkční třeba nějaké nervové buňky při Parkinsonově chorobě, ale současně bychom u něj navodili nádorové onemocnění.
Právě jeden z týmů se zabývá tím, jak v laboratoři vytvořit lidské embryonální kmenové buňky s natolik zdravým genomem, aby se daly použít k léčbě. Chtějí také založit obrovskou banku se zamraženými liniemi kmenových buněk, které by se uchovávaly v tekutém dusíku. V jedné buňce se ale nachází kolem třiceti tisíc genů, takže vzniká mnoho změn.
Mgr. Vladimír Rotrekl, Ph.D., odborný asistent, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: Já bych to přirovnal v podstatě k lidskému stárnutí nebo k chorobám, které postihují lidi ve stáří. Když se vyrovnáme, já nevím, s infarkty, tak přijdou na řadu rakoviny. Když se vyrovnáme s konkrétním typem rakoviny, přijde jiná nebo jiné. Čili pořád budeme prodlužovat tu dobu kultivace s kvalitními embryonálními kmenovými buňkami, ale budeme nacházet další a další limity, které nás nějakým způsobem omezují.
Embryonální kmenové buňky se v laboratorních podmínkách rozrůstají na misce v malých skupinkách. Tím se zabrání jejich diferenciaci, tedy rozrůznění na buňky tkání. Zároveň se kmenovým buňkám dávají podpůrné látky pro růst. Vše vědci neustále přizpůsobují tak, aby zabránili genetickým změnám, které průběžně testují. Jedna z metod mapuje změny na chromozomech.
Zkoušejí se ale také mechanismy, které umožňují opravy DNA. V buňce se uměle vyvolá poškození a pak se pozoruje, zda je buňka schopná ho opravit. Jeden ze způsobů se nazývá metoda komet. Říká se jí tak proto, že jádra buněk s obarvenou DNA, která je poškozená, vypadají jako komety s dlouhým červeným ocasem.
Technické problémy s lidskými embryonálními kmenovými buňkami by mohl vyřešit jiný postup, který jako první v roce 2006 vyzkoušel japonský biolog Shinya Yamanaka.
Mgr. Vladimír Rotrekl, Ph.D., odborný asistent, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: On se v podstatě zaměřil na to, čím se embryonální kmenové buňky liší od diferencovaných buněk. Vybral skupinu spousty proteinů nebo genů, v jejichž expresi by se mohly lišit, no, a takovou mravenčí prací zkoušením vlastně přišel na čtyři konkrétní geny, jejichž krátkodobá exprese, což znamená jejich projevení krátkodobé v té buňce, dokáže tu buňku reprogramovat, restartovat.
Při této metodě se pomyslně se mačká tlačítko reset. To znamená, že se již specializovaná buňka navrací do svého počátečního stavu embryonální kmenové buňky. Tyto čtyři geny se ale musejí do buňky dopravit. Jednou z možností je použití retroviru, což je například také vir HIV.
Mgr. Vladimír Rotrekl, Ph.D., odborný asistent, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: Lidé dokázali z těchto retrovirů v podstatě odebrat jejich genetický materiál a nahradit jej tím, co chceme dát do buňky. A ten retrovirus pak funguje jako klasický retrovirus, to znamená, dopraví svoji DNA do buňky, ale už to není jeho DNA, ale už je to naše DNA.
Využití těchto buněk v medicíně je ale zatím otázkou budoucnosti. Mají svá omezení, protože jejich genom prodělává veliké změny a v organismu si už určitou dobu odsloužily jako diferencované buňky. Dalším důvodem je samotný postup reprogramace, pro který se zatím nejúspěšněji využívají právě retroviry.
Mgr. Vladimír Rotrekl, Ph.D., odborný asistent, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: Které ale zas na druhou stranu mají nevýhodu v tom, že zabudují nebo zabudují ten gen do genomu buňky, a tím samozřejmě můžou způsobit na druhé straně nějakou mutaci. Čili to není úplně ideální.
Různé druhy kmenových buněk dnes vědcům pomáhají i v poznávání principů některých onemocnění. Umožňují modelování chorob. Pro toto modelování je ale nutné nejdříve pochopit, co způsobuje diferenciaci embryonálních kmenových buněk do určitého typu buňky. Tady se vědci zaměřili na to, jak se z lidské embryonální kmenové buňky stává buňka nervová a které geny tento postup řídí.
Geny, které by mohly být za tuto proměnu zodpovědné, se uměle mění. Poté se přeměna embryonální kmenové buňky sleduje. Pokud se z ní nervová buňka nestane, znamená to, že vědci našli ten správný gen. Byl to právě ten gen, který vědci změnili, a tím zamezili buňce, aby se přeměnila v nervovou.
Součástí výzkumu je také odhalování genetických příčin, které způsobují autismus.
Yuh-Man Sun, MSc., PhD., odborná asistentka, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: Proč se zajímáme o Shank 3 gen? Je to proto, že když byl u myší poškozen, začaly se chovat autisticky.
Autismem trpěl například hrdina amerického snímku Rainman v podání Dustina Hoffmana. U lidí se toto onemocnění projevuje na jejich sociálním chování. Nedokážou navázat oční kontakt. Mají problémy s komunikací. Čtyřicet procent takto nemocných nemluví a ti, kteří mluví, často opakují stále dokola to, co se naučili. Typické je pro ně také neustálé kývání či neustálé pohybování rukama nebo nohama. U lidí se děje totéž jako u myší. Když si člověk nese takto změněný gen Shank 3, projevuje se autistické chování. Tato změna je tedy jednou z příčin způsobujících autismus.
Yuh-Man Sun, MSc., PhD., odborná asistentka, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: Takže, jak se dostaneme k tomuto modelu autismu? U lidských embryonálních kmenových buněk vymažeme jednu kopii genu Shank 3.
Buňky se poté donutí k přeměně na nervové a sleduje se, kde se nepřítomnost tohoto genu projeví a jak. Zároveň se na poškozených nervových buňkách mohou zkoušet různé léky. Hledají se takové, které poškození zvrátí. Je tu ale ještě další cesta. Dospělým pacientům, kteří trpí autismem, se odeberou vzorky tkáně například z kůže nebo z vlasů. Z buněk této tkáně se pak vytvoří určité buňky kmenové.
Yuh-Man Sun, MSc., PhD., odborná asistentka, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: Tyto buňky jsou na úrovni embryonálních kmenových buněk, ale protože jsou získány od lidí s genetickou vadou, obsahují stejnou genetickou vadu.
Tyto buňky se poté vhodnými látkami donutí k diferenciaci na nervové buňky, ale s poškozením, a tedy s příčinou onemocnění konkrétního pacienta. Tak vznikne model nemoci a vědci mohou zkoumat její mechanismy.
Podobně další skupina vědců zkoumá chorobu zvanou hypertrofická kardiomyopatie. Toto onemocnění srdečního svalu může být příčinou náhlé smrti mladých a na první pohled zdravých lidí. Projevuje se zvětšením srdce a nesprávnou funkcí stahování srdečních svalů.
Carlo Meli Albano, Ph.D., odborný asistent, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: V principu může být tato choroba buď získaná, nebo dědičná. Tato nemoc je způsobená mutací, která má vliv na některé proteiny. Jedním z klíčových je protein myosin, který se podílí na procesu kontrakce v buňkách.
Tato bílkovina je tedy jednou z příčin, proč se svaly v našem těle stahují. Mutace, která byla objevena u mnoha onemocnění tohoto typu, se týká právě tohoto proteinu. Těsně před stahem se také ze srdeční buňky uvolňuje kalcium. A celková rovnováha uvolňování kalcia je velmi důležitá. Jedním z řešení problému by mohla být právě stabilizace tohoto procesu.
Carlo Meli Albano, Ph.D., odborný asistent, Biologický ústav Lékařské fakulty Masarykova univerzita: Důležitým předmětem výzkumu je testování léčivých přípravků na srdečních buňkách konkrétních pacientů. Vychází se i ze znalostí jejich genetické informace. Každý jednotlivý pacient by tak měl léčbu šitou na svoji míru.
Vědci i lékaři však ještě před sebou mají dlouhou cestu. V současnosti probíhají klinické zkoušky buněčné terapie, která by mohla léčit slepotu nebo poranění míchy. V budoucnu by ale měly kmenové buňky napomoci v léčbě ještě mnoha dalších dosud neléčitelných nemocí.
Autor: Kateřina Borecká