Pojęcia komórki użył po raz pierwszy Robert Hooke w 1655 roku. Od bardzo dawna wiemy również, że cellula (łac. komórka) jest najmniejszą i funkcjonalną jednostką organizmów żywych. Jest zdolna do przeprowadzenia wszystkich podstawowych procesów życiowych, jak przemiana materii, wzrost czy rozmnażanie. Jak ważne mogą być badania nad dokładniejszym poznaniem komórki, głównie dzięki zaawansowanym technologiom inżynieryjnym, dowodzą badania Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie.

tratwy w morzu lipidów

Jedną z odpowiedzi na to pytanie jest np. możliwość wyjaśnienia szybkości działania naszego układu immunologicznego. Pani doc. Katarzyna Kwiatkowska od lat prowadzi takie badania i mówi, że bardzo długo błona komórkowa postrzegana była jako mozaika lipidów i białek. Teraz wiemy już dużo więcej. Jej struktura nie tworzy chaotycznej układanki, ale posiada zdolność tworzenia tzw. tratw lipidowych. Dzięki specyficznym możliwościom niektórych lipidów, np. cholesterolu czy sfingolipidów, tworzą takie właśnie tratwy. One sprawiają, że środowisko wzbogacone w te tłuszcze sprzyja zbieraniu się w tych miejscach błony komórkowej specyficznych białek mających zdolności do wiązania się z owymi tratwami. Liczne badania pozwalają wnioskować, że szereg receptorów błony komórkowej działa na tej zasadzie. Przed pobudzeniem receptorów błony komórkowej, czyli przed dotarciem jakiejś informacji, są one rozproszone w morzu lipidowym. Sytuacja się zmienia, gdy informacja dotrze do receptora, białka zbierają się w obrębie tratw. Potrafimy już włączać i wyłączać ten sygnał, manipulując ilością cholesterolu w błonie komórkowej albo podkarmiając komórki nasyconymi lub nienasyconymi kwasami tłuszczowymi.

Dlaczego warto się tym zajmować? Czy chodzi tylko o aspekty poznawcze, czy może i aplikacyjne? Okazuje się, że wiele procesów chorobowych wiąże się z dysfunkcją przekazywania sygnału. Dokładniejsze poznanie tego zjawiska pozwoli na wybiórcze naprawianie ścieżek sygnałowych bądź też na wyłączanie szkodliwych sygnałów prowadzących do alergii czy chorób autoimmunologicznych. Jest nadzieja, że nawet sepsę będzie można zatrzymać, bo naukowcy podejrzewają, że właśnie w tratwach jest przekazywana informacja o niej.

podstępne komórki

Uczeni uważają, że przegrywamy batalię z nowotworami, ponieważ nie rozumiemy do końca mechanizmu powstawania i rozwoju raka. Badania prowadzone w Pracowni Regulacji Transkrypcji w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN im. Marcelego Nenckiego, kierowane przez prof. Bożenę Kamińską w ramach polsko−niemieckiego programu bilateralnego, wykazały, że komórki nowotworowe działają bardzo podstępnie. Np. komórki glejaków powodują, że z różnych obszarów mózgu naciekają do miejsca guza makrofagi. W normalnych warunkach powinny one inicjować obronę przeciwko nowotworowi, powinny mobilizować komórki odpornościowe całego organizmu. Tak jednak się nie dzieje. Dlaczego?

Okazało się, że substancje wydzielane przez glejaka, a zidentyfikowane biochemicznie przez badaczy z Instytutu Nenckiego, potrafią przeprogramowywać komórki odpornościowe makrofagów tak, aby wspierały rozwój guza. Te substancje to transformujący czynnik wzrostowy TGFbeta oraz małe białka – osteopontyna i laktoadheryna działające na receptory integrynowe na powierzchni makrofagów. Zamiast inicjować stan zapalny i odpowiedź przeciwnowotworową, następuje zjawisko zupełnie odwrotne: zahamowanie tego procesu. Komórki makrofagów wydzielają wtedy substancje i enzymy, takie jak metaloproteazy, degradujące otoczenie komórki, co skutkuje silniejszym rozwojem raka oraz jego rozchodzeniem się po mózgu i przerzutami. Tworzą się wtedy nowe ogniska choroby i to niestety w bardzo dużych skupiskach.

Czy z epidemiologicznego punktu widzenia jest to istotny problem? Glejaki są jednymi z najczęściej występujących nowotworów układu nerwowego i stanowią około 60 proc. wszystkich pierwotnych nowotworów tego układu. Mogą się rozwijać w dowolnej części centralnego układu nerwowego i atakują najczęściej ludzi dorosłych w 3.−6. dekadzie życia. Złośliwe glejaki cechuje naciekający charakter wzrostu, szybki przebieg kliniczny i akumulacja mikrogleju, który wspiera rozwój i inwazyjność komórek guza. Powstające z reguły rozległe guzy utrudniają interwencję chirurgiczną. W przeciwieństwie do innych nowotworów nie tworzą przerzutów poza centralny układ nerwowy. Glejaki złośliwe są w znacznym stopniu odporne na radio− i chemioterapię. W Polsce zachorowalność na glejaki wynosi ok. 1300 przypadków rocznie, a przeżycie 5−letnie sięga 20−45 proc.

Jaki jest więc pomysł badaczy na walkę z glejakami? Trzeba zaatakować nie sam guz, ale te komórki, które są przekształcane i wspierają rozwój guza. Używając znanego leku immunosupresyjnego, stosowanego w klinikach od wielu lat, możemy zahamować migrację komórek makrofagowych do guza, możemy zablokować ich aktywację i w ten sposób zmniejszyć rozwój guza o 70 proc. We współpracy z uczonymi francuskimi polscy naukowcy opracowali model badawczy, opublikowany w „Oncogene” w 2008, w którym komórki nowotworu zmodyfikowali tak, aby nie mogły oddziaływać z mikrośrodowiskiem mózgu za pośrednictwem pojedynczej cząsteczki transformującego czynnika wzrostowego. Okazało się, że guzy powstające z takich komórek są o połowę mniejsze niż normalnie. Jest to zupełnie nowe podejście do zjawiska interakcji pomiędzy nowotworem a jego mikrośrodowiskiem. Do tej pory nikt nie wiedział, czym są te substancje, którymi guz aktywuje mikrośrodowisko i poprzez jakie mechanizmy środowisko wspiera rozwój guza. Teraz już wiadomo, że te substancje sprawiają, iż mikrośrodowisko rozpoznaje guz jako uszkodzoną komórkę, której trzeba pomóc.

Zakończono pierwszą fazę badań przedklinicznych. Do druku w czasopiśmie neurologicznym przygotowywane są wyniki badań, w których naukowcy opisują przeciwnowotworowe działanie cyklosporyny (w dawkach stosowanych w klinice) w modelu zwierzęcym polegającym na wszczepianiu wyznakowanych na zielono komórek mysiego glejaka do prążkowia mózgu. W czasie 14 dni guz rośnie osiągając znaczącą wielkość. Przetestowano dwie dawki leku podanego dootrzewnowo, który nawet do 60 proc. redukuje wielkość guza. Dalsze badania będą polegały na sprawdzeniu, czy oprócz redukcji guza następuje też dłuższe przeżycie zwierząt.

Drugi tor badań będzie testował drogi podawania leku: dożylnego lub za pomocą małych pompek wprowadzających specyfik bezpośrednio do guza, tak aby zmniejszyć docelowo ilość podawanego leku. Konieczne jest też wprowadzenie eksperymentalnych badań klinicznych. Jest to jednak możliwe tylko z lekarzami, bo do nich należy stworzenie protokołu eksperymentalnego. To oni podejmą decyzję, którzy pacjenci wejdą do protokołu i rozpoczną w ten sposób leczenie. Naukowcy z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN czekają na propozycję dalszych wspólnych badań od środowiska lekarskiego.

w trzech wymiarach

Tak dokładne wniknięcie w tajemnice komórki umożliwia technika najnowszej generacji. Mikroskop konfokalny Leica SP5 STED został zakupiony przez instytut w połowie roku 2008. Kosztował 1,5 mln euro, a projekt był współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Jest to jedyny taki sprzęt w Polsce i do tej pory piąty na świecie. Można zatem powiedzieć, że to piękny prezent dla naukowców pracujących na rzecz poszerzania wiedzy w instytucie, który obchodzi właśnie swoje 90. urodziny.

Mikroskop konfokalny umożliwia trójwymiarową rekonstrukcję badanych obiektów, a mogą być nimi tkanki zwierzęce, roślinne, hodowle komórkowe, pierwotniaki, bakterie. Jest wyposażony również w komorę środowiskową pozwalającą na obrazowanie procesów zachodzących w żywych komórkach w kontrolowanych warunkach otoczenia. Rozdzielczość i zdolność powiększania tego mikroskopu pozwala na obserwację poszczególnych cząsteczek budujących komórki i organelle komórkowe. Tak więc struktury, które wcześniej były widoczne jedynie w mikroskopii elektronowej po uprzednim utrwaleniu, teraz można obserwować również w mikroskopie świetlnym.

Jak walczyć z osteoporozą?

Ludzkość boryka się z nią od dawna. Prof. Stanisław Pikuła prowadzi takie badania wspólnie z Francuzami. Za procesy osteoporotyczne odpowiada aktywność pewnego szeregu komórek: osteoblastów, osteoklastów i hondrocytów. W wyniku odpowiedniego zróżnicowania komórki są one w stanie dokonywać tego procesu. W ostatnim etapie swojego życia wydzielają do macierzy międzykomórkowej specjalne organelle wielkości 100−200 nanometrów, w których powstają kryształy hydroksyapatytów, tworzących zrąb mineralny kości. I tam właśnie wszystko się zaczyna, a nieprawidłowości, które się zdarzają, rzutują na jakość całego szkieletu.

Co psuje się w tych organellach? Najważniejsze są związki fosforu i wapnia. Zaczynają się tworzyć kryształy wapnia innego rodzaju i to one implikują powstawanie innego rodzaju tkanki. Tę wiedzę posiadamy już od dawna, ale dziś, dzięki rozwojowi techniki, mamy też i specjalne badania pozwalające dokładniej to zarejestrować. Np. tzw. protomiczne badanie pewnych organelli, które można izolować i wnikać w głąb odpowiadającej za to maszynerii molekularnej. Identyfikacja poszczególnych elementów tej maszynerii pozwala z kolei na modyfikowanie ich aktywności.

Pamiętajmy, że osteoporoza pojawia się wtedy, gdy dochodzi do zaburzenia równowagi, a czynników zaburzających ją może być wiele: dieta, gospodarka hormonalna, styl życia czy implikacje genetyczne. Jeśli poznamy dokładnie mechanizm tego procesu, to istnieje możliwość leczenia farmakologicznego osteoporozy z dużym powodzeniem. Ale ta maszyneria okazuje się być bardzo skomplikowana i badacze twierdzą, że jeszcze sporo czasu upłynie, zanim poznamy ją całkowicie.

Pistolet o złotych nabojach

Urządzenie o nazwie GENEGUN, zainstalowane w Instytucie im. Nenckiego, jest systemem do transfekcji komórek. To kolejny przykład pomocy nauk technicznych w prowadzeniu zaawansowanych badań biologicznych. GENEGUN umożliwia wprowadzenie do komórek DNA lub RNA poprzez wstrzeliwanie opłaszczonych nimi złotych kulek o rozmiarach rzędu 1 mikrometra. Całe urządzenie wyglądem przypomina klasyczny pistolet. Jako naboje służą specjalne kartridże wypełnione wcześniej przygotowaną mieszaniną danego DNA i kulek złota. Kulki złota z urządzenia wyrzucane są ciśnieniowo z dużą prędkością. W tym celu używa się helu. Urządzenie umożliwia uzyskanie wysokiego poziomu transfekcji, rzędu 90 proc.

Koszt urządzenia przekracza 100 tys. zł. A przykładem jego zastosowania może być np. barwienie fluorescencyjne neuronów w skrawkach mózgu, które następnie można obserwować za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego.

trening słuchowy

Potrafimy wspomagać moc umysłu, szczególnie przy udarach, gdy komunikacja językowa z pacjentem jest bardzo utrudniona – mówi prof. Elżbieta Szeląg. Poszliśmy w naszych badaniach w głąb umysłu i bazujemy na długoletniej współpracy z uniwersytetem monachijskim, gdzie opracowano metodę percepcji czasu postrzeganej przez umysł człowieka. Otóż każda nasza wypowiedź składa się z głosek, sylab, a te mają określone trwanie w czasie. I jeżeli komuś po udarze popsuje się ten wewnętrzny zegar, to ma kłopot z postrzeganiem i rejestracją głosek, bo one trwają określony czas. Jego mózgowe elementy działają wtedy w innym tempie niż nasze porozumiewanie się z taką osobą. W efekcie pacjent nie rozumie mowy. Badania prowadzone w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN doprowadziły do opracowania metod diagnozowania i metod czasowych treningów. Wskutek tych zabiegów pacjent lepiej rozumie mowę.

Jak to się robi? Prezentowane są szybko po sobie następujące trzaski i kliknięcia. Aby ich kolejność była prawidłowo rozpoznawana, musi sprawnie działać zegar, i to w podobnym zakresie, jak głoski w mowie artykułowanej. To jest trening słuchowy, nie językowy i nie werbalny. Odbywa się w laboratoriach instytutu, a poprawa jest obserwowana nie tylko w postrzeganiu bodźców, ale i w języku. W Instytucie Nenckiego prowadzi się również treningi dla ludzi w podeszłym wieku i ocenia się, jak poprawiają one zaburzone działanie językowe. Po dwóch miesiącach takiego treningu usprawnia się również pamięć, zdolność uczenia się, procesy uwagowe i percepcja czasu. Efektem jest również ogromna poprawa jakości życia.

W Polsce nie ma jeszcze mody i odpowiedniej świadomości decydentów do wdrażania takich programów naukowych w życie. Może warto to zmienić, bo u naszych zachodnich sąsiadów, w Niemczech, wydaje się duże pieniądze na usprawnianie jakości życia w podeszłym wieku. Tam uwierzono, dzięki udokumentowanym badaniom, że mózg w podeszłym wieku nie jest godny wysłania go na wcześniejszą emeryturę.