Změnou hmotnosti buněk k vylepšení organoidů  
U slov pomačkat, stlačit, nebo zmáčknout, zvláště ve spojení s něčím tak titěrným jako jsou buňky a struktury uvnitř buněk, se nám intuitivně vybaví představa poškození, nebo omezení funkce. Nové poznatky ale svědčí o něčem zcela jiném.

Zkratka Ki67 se používá jako charakteristický znak buněčného množení (proliferace). Související antigen Ki-67 je protein plnící funkce v jádře buněk. Vizualizovat se dá pomocí reakce s monoklonální protilátkou pro Ki Protein. Ten je exprimován ve všech množících se buňkách. Zde  je imunohistochemické barvení použito k vizualizaci  počtu dělících se buněk v organoidech. Spodní řada obrázků představuje tří pasáže při nichž bylo aplikováno stlačování buněk (horní obrázky jsou kontroly). Je na nich patrné rychlejší množení buněk s robustním růstem organoidů. (Kredit:  MIT News) http://meche.mit.edu/news-media/make-mini-organs-grow-faster-give-them-squeeze
Zkratka Ki67 se používá jako charakteristický znak buněčného množení (proliferace). Související antigen Ki-67 je protein plnící funkce v jádře buněk. Vizualizovat se dá pomocí reakce s monoklonální protilátkou pro Ki Protein. Ten je exprimován ve všech množících se buňkách. Zde je imunohistochemické barvení použito k vizualizaci počtu dělících se buněk v organoidech. Spodní řada obrázků představuje tří pasáže při nichž bylo aplikováno stlačování buněk (horní obrázky jsou kontroly). Je na nich patrné rychlejší množení buněk s robustním růstem organoidů. (Kredit: MIT News)

V tomto týdnu vyšel v časopise Cell Stem Cell článek, jehož závěr se dá parafrázovat slovy: Stlačováním k vyšším buněčným výkonům“. Nelogickým sdělením by se člověk neměl věnovat, ale uděláme výjimku. Jde totiž o sdělení v prestižním časopise a autory studie jsou vědci z Massachusettského technologického institutu a Bostonské nemocnice. Co výzkumníky přivedlo k tvrzení, že prosté fyzické utlačování buňkám prospívá a zlepšuje jim zdraví“?

 

Jako argument uvádějí, že „přiškrcené“ buňky se odhodlávají k rychlejšímu dělení, než k jakému by se rozhoupaly za normálních okolností. Nejspíš Vás teď napadlo, že někde udělali botu, neboť dělení není důkazem zdraví, a že se enormním dělení rádo skrývá skrývá i to nenormální, až zvrhlé. Tentokrát by tomu ale tak být nemělo a pro jimi pozorovaný jev blahodárného stlačování, mají vědci i vysvětlující hypotézu. Nejprve ale něco bližšího o pokusech, které jim dovolily dát si jejich nelogické výsledky do logických souvislostí.

 

Ming Guo, vedoucí výzkumného kolektivu. (Kredit MIT).
Ming Guo, vedoucí výzkumného kolektivu. (Kredit MIT).

V názvu studie se objevuje slovo střevní organoidy. Pod pojmem evokujícím něco o parazitech, je ale potřeba si představit malý shluk buněk, který byl uměle vypěstován z kmenových buněk v laboratoři a podobá se miniaturnímu orgánu. Nikoli tvarem, ale funkčností buněk. Jde o shluk buněk, které již mají znaky a také plní úkoly, jaké by zastávaly, kdyby byly plnohodnotnými buňkami klasického orgánu. Že je o takové buňky zájem, je nasnadě. Uvažuje se o nich jako o prostředku, kterým by se v našich tělesných schránkách mohly vyspravovat tkáně z nějakých příčin rozbité.

 

I když s pěstováním náhradních dílů z organoidů moc daleko ještě nejsme, i tak se zatím jen několikamilimetrové shluky buněk, stávají vysoce žádaným artiklem. Jde na nich například rychle testovat, co s našimi střevy provedou kandidátní látky na léky. Lze na nich s malými náklady studovat procesy probíhající ve skutečných orgánech a chování buněk při různých nemocech,… Jakýkoliv nový poznatek, který posouvá poznání chování buněk v organoidech, je proto významný.

 

Článek o němž referujeme se týká střevních organoidů, jejichž úskalím není ani tak jak je získat, ale jak je získat rychle a ve velkých objemech. Autoři studie našli způsob, jak lze v rostoucích organoidech buňky přinutit k rychlejšímu dělení. A nejen to. Odbornou mluvou zmiňují také posílení stavu kmenových buněk. Tím mají na mysli populaci buněk, které jsou v organoidech ještě nediferencované a schopné se dál dělit a dát vznik mnoha dalším všelijak specializovaným šikům střevních buněk. Jinak řečeno, vylepšili organoidy směrem k jejich praktickému všestranějšímu využití.

Toto je obrázek z předchozí studie Guova týmu. I ten se týkal obsahu vody v buňkách. Tehdy ale šlo o buňky zvrhlé zhoubným bujením. Na snímku v horní řadě je  nádor normálně se vyvíjející do invazivní formy. Pokud je z buněk stejného nádoru voda odčerpána (obrázky střední řady), je méně invazivní. Naopak nádor jehož buňkám je dopřáno absorbovat hodně vody (spodní řada), způsobí to, že konglomerát buněk se záhy rozpadá a velmi záhy se nádor rozšíří do okolní zdravé tkáně. Kredit: Yu Long Han.
Toto je obrázek z předchozí studie Guova týmu. I ten se týkal obsahu vody v buňkách. Tehdy ale šlo o buňky zvrhlé zhoubným bujením. Na snímku v horní řadě je nádor normálně se vyvíjející do invazivní formy. Pokud je z buněk stejného nádoru voda odčerpána (obrázky střední řady), je méně invazivní. Naopak nádor jehož buňkám je dopřáno absorbovat hodně vody (spodní řada), způsobí to, že konglomerát buněk se záhy rozpadá a velmi záhy se nádor rozšíří do okolní zdravé tkáně. Kredit: Yu Long Han.

 

Tím nejdůležitějším poznatkem je onen již v úvodu zmíněný překvapi účinek tlaku na buňky, projevujícího se efektem rychlejšího růstu. Poslechněme si, jaké vysvětlení pro svá pozorování vědci nabídli.

 

Tím, že se na buňky zatlačí, vytlačí se z nich část vody a spolu s tím se zmenšuje jejich objem. Ve stísněném prostoru se aktivní proteiny snáze dostávají do kontaktu a jimi zprostředkované pochody začnou probíhat rychleji. Podobně, jako i chemické reakce proběhnou v koncentrovanějších roztocích rychleji.

Tlak na buňky nemění ale jen poměry uvnitř buněk. Mění a usnadňuje i vzájemné kontakty mezi sousedními buňkami. Receptory, které mají na svých površích, také začnou mít k sobě blíž a snadněji se mezi sebou „domluví“. V odborné hantýrce tomu vědci říkají usnadnění signálním molekulám aktivaci genů.

 

Jistou pikantností nového objevu je, že ačkoliv se jedná o poznatek získaný na dvou tradičně amerických pracovištích patřících k těm nejprestižnějším, jméno vedoucího kolektivu je Ming Guo a také všech šest dalších spolupracovníků (Yiwei Li, Jiliang Hu, Qirong Lin, Maorong Chen, Ren Sheng a Xi He), jsou nositeli jmen, která moc americky nezní.

 

Vraťme se ale k tomu, jak k nynějším závěrům vědci dospěli. Na počátku všeho bylo pozorování změny tvaru a velikosti buněk v konfokální mikroskopu, který umožňuje 3D zobrazování. Že za smrskáváním buněk pod tlakem stojí vylučování vody, bylo třeba prověřit. Úbytek hmotnosti umožnila laserová technika s optickou pinzetou. Tímto nářadím se dají měřit i malé síly, které jsou potřeba k posouvání objektů, jakým jsou buňky. Kromě porovnávání hmotností lze stejnou technikou na buňkách zjistit další parametry. Pokud buňku „zaženeme“ do kouta, kde už nemá kam uhnout, nebo ji nějak jinak ukotvíme, lze změřit sílu potřebnou k deformaci její membrány. Takový parametr pak vypovídá o hustotě cytoplazmy. Tak si vědci ověřili, že i po relativně malém stlačení buněk, se mění jejich velikost a že ty menší se s větší radostí množí.


Zbývalo nějak dokázat, že za tím stojí změny v interakcích struktur uvnitř buněk. K tomu si vybrali sledování proteinů zodpovědných za signalizaci označovanou jako Wnt / β-katenin. Proč zrovna tu? Protože představuje pro buňku důležité pokyny, které fungují jako přepínač. Spouští růst a nebo otálení ve fyziologických pochodech předcházejících růstu. Umí tedy buňce něco jako vystavit značku STOP“, která choutky na množení zatrhne.

Možná ještě bude dobré dodat, že tu nejde jen o množení buněk, ale i o jejich „kariérní růst“. Buňky se překotně množí jak v případě růstu tkání embrya, tak stejně překotně i v případě rakoviny. Jak ale úsloví praví, když dva dělají totéž, nemusí být výsledek stejný. To, že v předchozím odstavci zmíněná signalizace, strká prsty do množení buněk, se už nějaký čas ví. Tale vznikl požadavek zjistit, jakou roli v tom stlačování buněk hraje. Zda dobrou, nebo tu špatnou - směrem k množení buněčných rakovinových zvrhlíků.

 

Podle tuhosti embrya (posouzení se provádí jeho zmáčknutím) lze odhadnout jeho životaschopnost. Stačí k tomu obyčejná skleněná mikropipeta. (Kredit: Camarillo Labs)
Podle tuhosti embrya (posouzení se provádí jeho zmáčknutím) lze odhadnout jeho životaschopnost. Stačí k tomu obyčejná skleněná mikropipeta. (Kredit: Camarillo Labs)

Dopadlo to dobře. Tlačením na buňky organoidů vypěstované ze střevních buněk startovalo Wnt dráhy, pro rychlost růstu, aniž by navozovalo plození obávaných zhoubných zvrhlíků. Dá se říci, že se tím posunulo poznání základů tvorby orgánů o krůček dál. A přiblížila se i vize obnovy střev. Je už na čase, neboť resekcí tlustého a tenkého střeva, jejichž příčinou je obliba uzenin, tučného,je v naší populaci čím dál tím víc.

 

Také předchozí poznatky Guova týmu tak trochu s těmi nynějšími souvisí. Při experimentování s lidskými buňkami z rakoviny prsu pozorovali, že jak nádor roste, tak po asi dvou týdnech buňky uvnitř nádoru začnou být malé a tuhé, zatímco buňky na periferii nádoru mají tendenci bobtnat. Měkčí nabubřelé periferní buňky se rády roztahovaly za hranice nádoru a vytvářely „invazivní špičky“. Jejich „odlamováním“ se tvořily metastázy a rakovina se šířila.

 

Za zmínku, i když poněkud v jiných souvislostech, stojí připomenout i poznatky vědců ze Stanfordu. Ti nedávno publikovali poznatky, jak je důležité posoudit tuhost embrya a přenášet do dělohy jen ta „tuhá“. Podrobnosti lze najít v článku „Nejprve pomačkat a až pak embryo přenášet“.

 

Ale zpět k experimentům na střevních buňkách. Ještě jsme si neřekli to podstatné - jak a čím vědci na buňky tlak vyvíjeli. Na rozdíl od všech ostatních technik, až neuvěřitelně prostě. Buňky ve stadiu, kdy zahajovaly tvorbu organoidů, dali na Petriho misku a zalili agarem. Na ten pak položili závaží. To stačilo, aby se buňky začaly cítit komfortněji a celý organoid rostl rychle. Vše tedy nasvědčuje tomu, že pošťuchování buněk tlakem, je mocným impulsem při formování tkání ex vivo. A že jde o správný pokyn, neboť nesměruje buňky ke zhoubnému bujení, ale k tomu žádoucímu - zdravému.

 

Vědci ve svých úvahách si dovolili jít ještě dál. Z výsledků pokusů usuzují, že buňky (respektive tkáně) si nějak umí ordinovat množství vody ve své buněčné cytoplazmě, a že si tím samy regulují svou aktivitu a své „zdraví“. Něco jako když se my přinutíme sportovat. Takovému výkladu jde na ruku fakt, že když se tlakem vypudí buňkám část vody z jejich cytoplazmy, tak organoid nejen rychleji roste, ale má i větší zastoupení kmenových buněk. Těch buněk, které jsou schopné dát vznik jakýmkoliv buňkám. Kmenové buňky jsou všeobecně považovány za to nejdůležitější, o co se při obnově tkání a orgánů hraje. Proto vědci zmiňují efekt „omlazování“. Nemají tím ani tak na mysli nynější zde popsané tlačení na buňky, jako spíš budoucí poznatky, které ozřejmí mechanismy, které „vodnatelnost“ a aktivitu buněk řídí.

 

Závěr

Jak to tak vypadá, tak i u buněk platí, že pokud naberou na hmotnosti, zleniví. Nové poznatky by mohly najít uplatnění v regenerační, rekonvalescentní, transplantační, a nejspíš i dalších oblastech medicíny.

 

Literatura

Yiwei Li et al, Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/β-Catenin Signaling, Cell Stem Cell (2020). DOI: 10.1016/j.stem.2020.09.012

Datum: 19.10.2020
Tisk článku

Paralelní světy - Kaku Michio
 
 
cena původní: 499 Kč
cena: 419 Kč
Paralelní světy
Kaku Michio

Diskuze:

Tlak ve tkáni je fyziologický

Pavel Trávník,2020-10-19 14:52:05

Je to zajímavý fenomén. Domnívám se, že růst buněk nebo organoidů ve tkáňové kultuře v atmosférickém tlaku je nefyziologický. Na buňky v organizmu působí tlak vyšší než atmosférický, takže "přitlačením" se více blížíme fyziologickým podmínkám.
Pokud jde o embrya, tam asi jde o jinou záležitost. "Tužší" embryo má v pořádku membránu a cytoskelet, společné působení cytoskeletu a turgoru podmíněného správnou funkcí iontových kanálů a pump dává živé buňce pevnost a pružnost. Umírající buňky ochabují.

Odpovědět


Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace