Privertė kvėpuoti dirbtinius plaučius ir tyčia užkrėtė mirtina tuberkulioze, štai kas nutiko vėliau
Tuberkuliozė kamuoja žmoniją jau tūkstančius metų. Nepaisant didžiulės medicinos pažangos, leidžiančios šią ligą ir užkirsti, ir išgydyti, ši sena bakterinė infekcija vis dar kasmet nusineša daugiau gyvybių nei bet kuris kitas infekcinis sukėlėjas.
Mokslininkai, rengęsi naujam tyrimui, pristatė įrenginį, padėsiantį geriau suprasti ankstyvąsias tuberkuliozės (TB) stadijas, įskaitant ir keistą delsą tarp užsikrėtimo bei pirmųjų simptomų pasireiškimo.
Šis modelis taip pat gali atskleisti, kaip paciento genetiniai skirtumai lemia skirtingą ligos eigą, o tai yra itin svarbu individualizuotai medicinai.
Manoma, kad maždaug ketvirtadalis pasaulio gyventojų yra užsikrėtę tuberkuliozės bakterijomis. Tik daliai jų liga išsivysto, tačiau net ir taip kasmet fiksuojama daugiau kaip 10 milijonų naujų ligos atvejų ir daugiau nei 1 milijonas mirčių visame pasaulyje.
Tuberkuliozė progresuoja lėtai – simptomai dažnai pasireiškia tik po kelių mėnesių. Norėdami geriau suprasti šį uždelstą laikotarpį, tyrėjai sutelkė dėmesį į smulkias oro pūsleles plaučiuose – alveoles, kuriose vyksta lemiamos imuninės ląstelių ir bakterijų kautynės.
„Oro maišeliai plaučiuose yra kritinė pirmoji gynybos nuo infekcijų linija žmogaus organizme, tačiau tradiciškai juos tyrinėjome naudodami gyvūnų, dažniausiai pelių, modelius“, – aiškina bendraautorius Maxas Gutierrezas, Francis Crick instituto Tuberkuliozės šeimininko ir patogeno sąveikų laboratorijos vadovas.
„Šie tyrimai yra labai svarbūs mūsų supratimui, bet tarp gyvūnų ir žmonių esama reikšmingų imuninės sistemos ląstelių sudėties ir ligos eigos skirtumų, todėl vis daugiau dėmesio skiriama alternatyvioms technologijoms“, – priduria jis.
Viena tokių alternatyvų – sparčiai besivystančios „organo mikroschemoje“ (angl. organ-on-a-chip) technologijos. Jos leidžia mikrofluidinėse ląstelių kultūros mikroschemose imituoti viso žmogaus organo veiklą ir taip suteikia sudėtingesnę alternatyvą gyvūnų modeliams.
Jau sukurta keletas „plaučių mikroschemoje“ (angl. lung-on-a-chip) sistemų, tačiau jų apribojimai paskatino Gutierrezą ir jo kolegas išbandyti kitokį sprendimą.
„Iki šiol plaučių mikroschemos buvo sudarytos iš mišrių ląstelių – dalis jų gauta iš pacientų, o dalis – iš komercinių šaltinių“, – pasakoja Gutierrezas. – „Dėl to tokie modeliai negali visiškai atspindėti vieno konkretaus žmogaus plaučių funkcijos ar ligos eigos, nes skirtingos ląstelės genetiškai skiriasi.“
Šio tyrimo metu mokslininkai sukūrė naujo tipo plaučių mikroschemą, kurioje buvo naudojamos tik genetiškai tapačios ląstelės, išvestos iš vienos žmogaus kamieninės ląstelės.
„Naudojome žmogaus indukuotas pluripotentines kamienines ląsteles, kurios teoriškai gali virsti bet kokia kūno ląstele. Iš jų išauginome I ir II tipo alveolines epitelio ląsteles“, – pasakoja pirmasis autorius Jaksonas Lukas, podoktorantūros stažuotojas Gutierrezo laboratorijoje.
„Šios ląstelės auga membranos viršuje“, – aiškina Lukas. – „Naudodami tas pačias kamienines ląsteles, išauginome ir kraujagyslių endotelio ląsteles, kurios auginamos membranos apačioje.“
Toks modelis leido naujai pažvelgti į vadinamąjį „juodosios dėžės“ periodą – laiką tarp pirminio užsikrėtimo tuberkulioze ir pirmųjų klinikinių simptomų pasireiškimo.
„Mūsų tikslas buvo ieškoti ligos požymių, kurie jau yra aprašyti klinikiniuose stebėjimuose ir gyvūnų tyrimuose“, – pasakoja Lukas.
Kai į mikroschemą, dar prieš įvedant tuberkuliozės sukėlėjus, buvo pridėta imuninės sistemos ląstelių – makrofagų, mokslininkai netrukus pastebėjo susiformavusias jų sankaupas su vadinamosiomis „nekrozinėmis šerdimis“: centre buvo žuvusių makrofagų grupė, apsupta gyvų ląstelių žiedo.
„Galiausiai, praėjus penkioms dienoms po užkrėtimo, epitelio ir endotelio barjerai suiro, o tai parodė, kad oro maišelių funkcija visiškai sutriko“, – teigia Lukas.
Tačiau ne visų žmonių plaučiai į tuberkuliozės infekciją reaguoja vienodai, todėl tyrėjai siekė išsiaiškinti, kaip genetiniai skirtumai lemia šiuos skirtingus atsakus.
„Pašalinome ATG14 geną, kuris dalyvauja natūraliame pažeistų ląstelių ir svetimos kilmės medžiagų skaidymo procese“, – aiškina Lukas.
„Makrofagai, kuriems šio geno trūko, net ir ramybės sąlygomis buvo jautresni žūčiai. Užkrėtus tuberkuliozės bakterijomis, jie stengėsi fagocituoti (praryti) daugiau bakterijų, taip patvirtindami, kad šis genas yra svarbus palaikant mūsų imuninės gynybos vientisumą“, – tęsia tyrimo autorius.
Nors reikalingi tolesni tyrimai, Lukas ir jo kolegos mano, kad jų sukurta mikroschema yra svarbus žingsnis link labiau individualizuoto tuberkuliozės ir kitų infekcijų gydymo.
„Dabar galime kurti mikroschemas iš žmonių, turinčių konkrečių genetinių mutacijų, ir tirti, kaip tokias plaučių sistemas paveiks infekcijos, pavyzdžiui, tuberkuliozė, bei testuoti, ar tam tikri antibiotikai bus veiksmingi“, – sako Lukas.
„Mikroschemos technologija prisideda prie plataus individualizuotos medicinos proveržio“, – papildo Gutierrezas. – „Ji gali padėti suprasti, kaip genetiniai veiksniai lemia tai, ar konkretus gydymas bus veiksmingas, ar ne.“
