W ciągu doby przez nasze płuca przepływa 11 tys. litrów powietrza, a serce uderza w tym czasie blisko 100 tys. razy i pompuje 12 tys. litrów krwi. Są biliony komórek, uformowanych w tkanki oraz w narządy, które mają swoje miejsce i spełniają konkretną rolę w naszym ciele. Szczególnie ciekawy jest pod tym względem układ oddechowy, bo mnogość i różnorodność funkcji jest tam naprawdę duża. To, jak te komórki przechodzą proces specjalizacji, jest szczególnie interesujące dla rozumienia i leczenia chorób przewlekłych.
Czytaj też: Nowy oręż w walce z HIV. Te komórki potrafią zdziałać cuda – pierwsza pacjentka już wyleczona
Naukowcy z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego (DTU) pod kierunkiem prof. Kedara Natarajana odkryli, że komórki w trakcie specjalizacji przechodzą przez stan, w którym to mogą reagować na ciągle zmieniające się warunki środowiskowe. Nawet jeżeli ich los jest początkowo “zdeterminowany”, można go zmienić (o ile zajdzie taka potrzeba). Szczegóły opisano w czasopiśmie Science Advances.
Komórki układu oddechowego i ich niezbadane ścieżki specjalizacji
Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), problemy z układem oddechowym odpowiadają za 15 proc. wszystkich zgonów na świecie. WHO szacuje, że na samą astmę w skali globalnej choruje 339 mln ludzi. Duńscy naukowcy wykorzystali nowoczesne technologie (sekwencjonowanie genów i modele komputerowe), aby zrozumieć proces powstawania różnych typów komórek na wczesnym etapie formowania się zarodka. Znaleźli dowody na istnienie grupy komórek, które w ciągły i niehierarchiczny sposób “podejmują” decyzje, jaką ostateczną postać przybrać.
Prof. Kedar Natarajan wyjaśnia:
Nasza analiza wychwyciła nową populację progenitorową, tj. macierzystą populację komórek w nabłonku śluzówkowym, takim jak drogi oddechowe, składającą się z różnych typów komórek. Pojawia się ona znacznie wcześniej niż oczekiwano i przyczynia do powstania wszystkich głównych typów komórek, podkreślając kluczową rolę heterogenności komórkowej przed zaangażowaniem się w specjalizację.
Uczeni badali specyficzny rodzaj komórek progenitorowych pochodzących z tkanki w drogach oddechowych, tzw. nabłonka śluzówkowego. Specjalizacja jest szczególnie ważna w drogach oddechowych, bo różne typy komórek są niezbędne do zapewnienia naturalnej odporności i usuwania patogenów, kurzu oraz wszelkich ciał obcych. U osób cierpiących na astmę czy obturacyjną chorobę płuc, procesy specjalizacji komórek są zaburzone.
Czytaj też: Astma pod kontrolą? Udane testy potencjalnego leku
Prof. Kedar Natarajan dodaje:
Aby zrozumieć, co się dzieje, gdy pojawiają się przewlekłe choroby układu oddechowego, musimy mieć lepszy obraz wszystkich stanów, przez które przechodzi komórka na etapie specjalizacji. Często badamy, co dzieje się z komórką po jej zepsuciu, a następnie próbujemy ją naprawić. Powinniśmy również badać, jak powstaje komórka, aby lepiej zrozumieć, jak ulega uszkodzeniu. Komórki organizmu odnawiają się przez cały czas, więc kiedy wiemy, jak można wpływać na decyzję komórki po drodze, wiedza ta może pomóc otworzyć nowe drzwi do tego, jak leczymy choroby takie jak astma.
Układ oddechowy to złożony system, w którym różne elementy spełniają swoje ważne funkcje. Komórki wytwarzające śluz tworzą barierę ochronną przed patogenami, zanieczyszczeniami i bakteriami, podczas gdy komórki rzęskowe oddziałują na płyny i poprzez skoordynowane ruchy napędzają przepływ i usuwanie uwięzionych cząstek. Komórki regulujące poziom jonów są potrzebne do utrzymania poziomu osmotycznego, jonowego i kwasowo-zasadowego, podczas gdy komórki podstawowe mogą uzupełniać wymagane typy komórek do normalnego funkcjonowania po uszkodzeniu.
Wszystkie z wymienionych pochodzą z tego samego typu komórek macierzystych, które są “naznaczone” do rozwinięcia się w nabłonek śluzówkowy. W trakcie specjalizacji komórki przechodzą różne fazy (np. gastrula, neurula, itd.) i przekształcają w jeden z czterech wymienionych typów. Ale nie zawsze wszystko idzie zgodnie z planem.
Ponad 20 różnych chorób dróg oddechowych jest spowodowanych tym, że rzęski na powierzchni błony śluzowej są uszkodzone, są zbyt małe lub ich ruch jest nieskoordynowany. To sprawia, że nie są w stanie prawidłowo pozbywać się m.in. drobin kurzu czy innych zanieczyszczeń. Podobne przykłady można by mnożyć, ale wniosek jest zawsze ten sam – defekty w specjalizacji komórek układu oddechowego to same problemy.
Czytaj też: Stworzono komórki płciowe męskie i żeńskie o tym samym DNA. Udało się to po raz pierwszy w historii
Naukowcy postanowili przyjrzeć się przemianom zachodzącym w komórkach żaby szponiastej (Xenopus laevis). Są one podobne do tych występujących u ludzi z tą różnicą, że w komórkach pluripotencjalnych łatwiej jest wyróżnić cztery kierunki, w które mogą się rozwijać. Uczeni pod uwagę wzięli różne etapy rozwoju komórek, począwszy od typu niezróżnicowanego (etap 8), aż po postać w pełni zróżnicowaną (etap 27). W sumie przebadano ok. 35 tys. komórek i wychwycono kluczowe zmiany między poszczególnymi etapami, dzięki czemu oceniono ok. 3000 genów dla każdej komórki. Okazało się, że niektóre z komórek przechodzą przez nieznany wcześniej stan i ulegają specjalizacji w odrębny sposób. Co to właściwie oznacza?
Prof. Kedar Natarajan podsumowuje:
Podczas naszej pracy odkryliśmy populację progenitorową, która naszym zdaniem została wcześniej przeoczona. Komórki te nazywamy wczesnymi progenitorami nabłonkowymi. Podejmują one specjalizację, aby stworzyć późne populacje jonocytów, komórek kubkowych i komórek podstawnych. Proponujemy zatem model, w którym wczesne progenitory nabłonkowe przechodzą zmiany losów w sposób ciągły, niehierarchiczny, co różni się od modelu standardowego.