Smegenys mėgintuvėlyje

Kartais atradimai tūno netikėčiausiose vietose. Pavyzdžiui, kavos puodelyje. 2018 m. lapkričio pradžioje mokslo spaudoje paskelbta, kad Krembil smegenų instituto mokslininkai pastebėjo įdomų kavos efektą mūsų sveikatai. Kavos mėgėjams mažėja rizika susirgti Alzhaimerio ir Parkinsono ligomis. Tyrėjai išsiaiškino, kad šį efektą sukelia ne kafeinas, bet kita cheminių junginių grupė – antioksidantai fenilindanai, susiformuojantys skrudinant kavos pupeles. Kuo labiau skrudinama, tuo daugiau jų atsiranda. Šios molekulės neleidžia sukibti pacientų smegenis tildantiems beta amiloido ir tau peptidams. Kitas žingsnis – patikrinti, ar šie junginiai gali įveikti kraujo-smegenų barjerą. Ši kiek egzotiška žinia liudija, kaip plačiai Alzheimerio ligos tyrėjai užmetė tinklus, ieškodami efektyvių vaistų nuo kol kas nepagydomos ir vis labiau pasaulyje plintančios ligos, kurdami naujus ankstyvosios diagnostikos būdus.

Biochemikas, Inovatyvios medicinos centro direktoriaus pavaduotojas mokslo reikalams dr. Augustas Pivoriūnas sako: „tai lėtinė neurodegeneracinė liga, pasižyminti amiloido baltymų kaupimosi sankaupomis. Tokia liga sergančių žmonių smegenyse pradeda formuotis amiloido baltymų plokštelės, masiškai žūsta neuronai. Tačiau tai vėlyvieji ligos požymiai. Kol kas mažai žinoma, kas vyksta šia liga sergančių žmonių smegenyse ankstyvose ligos stadijose“.

Lou Gherigo, Hantingtono, Parkinsono ir Alzheimerio  ligas sieja nervinių ląstelių nykimas ir mirtis. Mokslininkai įtaria, jog dėl visų šių ligų kalti iš esmės tie patys sugedę viduląsteliniai mechanizmai. Tačiau kokie ir kaip juos pataisyti arba bent išjungti? Šiuo metu tyrimams naudojami gyvūnų modeliai nėra pats geriausias sprendimas. Mūsų smegenys iš esmės skiriasi nuo jų. Todėl vis dažniau laboratorijose imama naudoti įvairias kamieninių ląstelių technologijas šių ligų vystymuisi modeliuoti. Tą atlieka ir Inovatyvios medicinos centro specialistai, vykdantys Lietuvos mokslo tarybos finansuojamą projektą „Alzhaimerio ligą lydinčių hematoencefalinio barjero pažeidimų modeliavimas in vitro“.

„Jeigu suprasime, kokie yra molekuliniai mechanizmai, nulemiantys ligos vystymąsi ankstyvose stadijose, galėsime pradėti ieškoti efektyvių terapijos priemonių, kad sulėtintume ligos vystymąsi”, viliasi dr. A. Pivoriūnas

Funkcinio smegenų vaizdinimo metodai (fMR) parodė, kad žmonių, turinčių lengvus kognityvinius sutrikimus, kraujo smegenų barjero pralaidumas įvairioms medžiagoms, pvz. kraujo komponentams, kurie normaliomis sąlygomis veikia neurotoksiškai, padidėja. Taip pat sutrinka gliukozės transportas per kraujo smegenų barjerą funkciškai aktyviose smegenų zonose. Manoma, kad šitie lengvi kognityviniai sutrikimai yra ikiklinikinė Alzhaimerio ligos stadija. Todėl kraujo-smegenų barjero pralaidumo sutrikimai ankstyvosiose ligos stadijose yra labai svarbūs. Netgi ginčijamasi, ar tai yra šios ligos priežastis, ar pasekmė.

Išskiriamos dvi ligos formos. Pirmoji jų vadinama šeimine Alzhaimerio liga, kai tiksliai žinomos genų mutacijos. Tačiau ji pasireiškia retai. Dažniausia yra sporadinė forma, kai ligos vystymąsi lemia įvairūs, dar nepilnai žinomi faktoriai. Teigiama, kad riziką susirgti mažina fizinis ir protinis aktyvumas, subalansuota mityba, turtinga omega3 riebiosiomis rūgštimis, o dabar gal ir kavos gėrimas?

Neurodegeneracinių ligų ankstyvosios diagnostikos metodai kol kas nesukurti. O tai gyvybiškai svarbi užduotis. Kuo anksčiau diagnozuojama, tuo daugiau šansų lėtinti ligos vystymąsi.

Jau sukurti eksperimentiniai gydymo metodai, kurie galėtų būti pradėti naudoti. Tačiau kol nežinoma kaip pas žmogų vystosi liga,negalima pradėti jų naudoti. Štai kodėl taip aktyviai ieškoma naujų diagnostikos būdų. Pastaruoju metu sparčiai gausėja duomenų apie Hematoencefalinio arba kraujo smegenų barjero funkcinius sutrikimus ankstyvose ligos stadijose. Tai fiziologinis organizmo barjeras, atskiriantis kraują nuo smegenų audinio. Iš ko jis sudarytas? A. Pivoriūno žodžiais tariant, jį sudaro ištisinis specializuotų kraujagyslių kapiliarų endotelio ląstelių sluoksnis, susiliečiantis su kitomis kraujagyslių ląstelėmis: lygiųjų raumenų ląstelėmis arteriolių lygyje ir pericitais kapiliarų lygyje.Arteriolės arba kapiliarai yra apgaubti astrocitų bei šalia esančių mikroglijos ir neuronų ląstelių. Šis kompleksas vadinamas neurovaskuliniu vienetu. Šiuo terminu pabrėžiama, kad visi jo komponentai yra labai svarbūs barjero funkcionavimui. Jis dar atskiria kraują nuo smegenų audinio ir nepraleidžia medžiagų, sunkesnių negu 400 daltonų, taip pat hidrofilinių medžiagų: baltymų, daugumos vaistų. Mat kraujyje yra medžiagų, nuodingų nerviniam audiniui.

Barjerą XIX a. pabaigoje atrado vokiečių medikas Paulas Ehrlichas. Suleidęs dažų eksperimentiniams gyvūnams jis pastebėjo, kad jų vidaus organai nusidažė, o smegenys-ne. Ląstelėse gzistuoja specializuotos transporto sistemos, kurios įvairias maisto medžiagas transportuoja per endotelio ląstelių membraną į smegenų audinį. Visų pirma gliukozę, kuri yra pagrindinė smegenų maisto medžiaga. Specializuoti baltymai perkelia gliukozę iš kraujo į nervinį audinį. Be abejo, medžiagų judėjimas vyksta abiem kryptimis. Labai svarbus ir šalinimas, nes šios sistemos gedimai ir tampa esmine problema.

Kaip žinia, amiloido peptidai nuolat sintetinami ir sveikų žmonių smegenyse. Tačiau vystantis Alzhaimerio ligai, sutrina tų amiloido peptidų apykaita ir pašalinimas per hematoencefalinį barjerą į kraują. Mat su krauju jie patenka į kepenis, kur skaldomi ir per inkstus pašalinami iš organizmo. Pavyzdžiui, klausantis muzikos, aktyvios tampa vienokios mūsų smegenų sritys, skaitant – kitos. Tuo metu įdarbintoms smegenų sritims reikia daugiau deguonies ir maisto medžiagų. Todėl šiose zonose suintensyvėja kraujotaka. Šis fenomenas vadinamas neurovaskuliniu ir neurometaboliniu susiejimu, kurį koordinuoja neurovaskulinio vieneto ląstelės.

Jeigu tam tikrose smegenų zonose neuronai yra aktyvūs, jie sintetina azoto oksidą, kuris patenka į lygiųjų raumenų kraujagyslių ląsteles. Tada arteriolės išsiplečia, daugiau priplūsta kraujo. Tuo pačiu daugiau gliukozės gali būti pernešta į tas aktyvias zonas.  Deja, pačiose ankstyviausiose Alzhaimerio ligos stadijose šitas procesas sutrinka. Vadinasi, kraujo-smegenų  barjero funkcija ir pralaidumas sutrinka pačiose ankstyviausiose Alzheimerio ligos vystymosi stadijose. Daugiau toksinių komponentų per barjerą patenka į audinį tuo metu, kai dar nėra ryškiai išreikštų klinikinių simptomų.

Panaudodami modernius vaizdinimo metodus mokslininkai pastebėjo, kad lengvą kognityvinį sutrikimą turinčių žmonių smegenų srityje, vadinamoje hipokampu, hematoencefalinio barjero pralaidumas yra padidėjęs.Dėl to iš kraujo ima sunktis įvairios neurotoksinės medžiagos. Kita vertus, sutrinka tokių svarbių medžiagų kaip gliukozė pernešimas į tas nervinio audinio sritis. Kol kas neaišku, kokie komponentai lemia, kad šio barjero funkcija sutrinka ankstyviausiose stadijose. Yra žinoma, kad tokios ląstelės kaip astrocitai, ypač svarbios normaliam nervinio audinio funkcionavimui, taip pat pradeda nykti ankstyvosiose  ligos stadijose. Turint omenyje, kad kraujo smegenų barjero vienas svarbiausių komponentų yra astrocitai, centro mokslininkai nusprendė ištirti astrocitų vaidmenį kraujo smegenų barjero funkcijai alzhaimerio ligos metu.

Projekto vadovas yra pasaulinio garso mokslininkas, prof. Aleksejus Verkchrackis iš Mančesterio universiteto. Mokslininkai lygina astrocitus, gautus iš Alzhaimerio liga sergančių žmonių su astrocitais, gautais iš sveikų žmonių. Tam naudojamos kamieninių ląstelių technologijos. Dr. A. Pivoriūnas pasakoja, kad šiuose eksperimentuose naudojama ląstelių perprogramavimo technologija. Somatinės ląstelės perprogramuojamos į pliuripotentines kamienines ląsteles. Po to jos transformuojamos į nervines kamienines ląsteles, o pastarosios – į astrocitus ir neuronus.

Subrendusių specializuotų kūno ląstelių sugrąžinimas į pseudoembrioninę būseną skamba kaip stebuklas, tačiau tai jau gerai veikianti technologija. Įsivaizduokite, kad jūsų odos ląstelę jau galima paversti neuronu. Paaiškėjo, kad gyvas ląsteles taip transformuoti įmanoma, maudant jas įvairių cheminių medžiagų, vadinamų augimo faktoriais, terpėje. Lūžis įvyko 2006 metais, kuomet Shinya Yamanaka kartu su kolegomis pirmą kartą paskelbė sėkmingą somatinių ląstelių perprogramamvimo protokolą. Tokiu būdu Lietuvos tyrėjai išsiaugina Alzhaimerio liga sergančių žmonių astrocitus ir sveikų žmonių astrocitus. Taip pat, bandant mėgintuvėlyje imituoti kraujo smegenų barjerą, kartu auginamos kraujagyslių endotelio ląstelės ir sveiki bei ligos paveikti astrocitai. Taip susiformuos tokie patys kompleksai, kaip žmogaus smegenyse. Tada bus stebima, kaip keičiasi kraujo-smegenų barjero pralaidumas. Tai šiek tiek primena organoidus – gyvų ląstelių kompleksus mėgintuvėlyje, naudojamus imituoti įvairiuose žmogaus organuose vykstančius procesus.

Šitame darbe sudėtingiausia tai, kad ląstelių kultivavimo ir diferencijavimo protokolai yra ilgalaikiai ir sudėtingi. Norint išauginti astrocitus iš nervinių kamieninių ląstelių, reikia maždaug pusantro mėnesio. LMT finansuojamas projektas vykdomas Lietuvoje, tačiau jo mokslinis vadovas iš Jungtinės karalystės koordinuoja veiklas, dažnai atvyksta į Inovatyvios medicinos centrą kontroliuoti procesų. Savo ruožtu mokslinės grupės nariai vyksta stažuotis į Mančesterį.

Pasaulyje keletas grupių dirba toje srityje, bandydami kraujo-smegenų barjerą sukurti mėgintuvėlyje. Ši sistema svarbi ne tik alzhaimerio ligai gydyti. Farmakologai taip pat susiduria su šita problema. Daugelis vaistų negali patekti į smegenis. Todėl turėdami mėgintuvėlyje tokį modelį, mokslininkai galėtų jį naudoti kaip instrumentą, tiriant įvairių vaistinių medžiagų patekimą į smegenis.

Šitoje laboratorijoje buvo atliekami ir egzosomų tyrimai, apie kuriuos jau esame kalbėję vienoje „Mokslo ekspreso” laidoje. Tai mažytės pūslelės, kurias gaminasi kamieninės ląstelės. Naujausi Lietuvos mokslininkų tyrimai rodo, kad įpurškus žiurkei į nosį egzosomų, gautų iš žmogaus dantų pulpos kamieninių ląstelių, pagerėja Parkinsono liga sergančių žiurkių judesių koordinacija. Rezultatai gali būti panaudoti, kuriant naujus šios ligos gydymo metodus.

„Žinoma, kad egzosomos sugeba patekti į nervinį audinį per kraujo-smegenų barjerą. Taigi, bus galima tirti mechanizmus, kaip egzosomos patenka į smegenų audinį”, mano dr. A. Pivoriūnas.

Šiuo metu pasaulyje Alzheimerio liga serga daugiau kaip 44 milijonai žmonių. Numatoma, kad 2030 metais skaičius padvigubės. Štai kodėl pastangos suprasti ligos patologiją yra gyvybiškai svarbios ankstyvajai diagnozei ir efektyviai terapijai. Jos gali išgelbėti milijonus žmonių.

Rolandas Maskoliūnas