Krvne ćelije čine većinu ćelija u ljudskom telu. Oni obavljaju kritične funkcije i njihova disfunkcija je umešana u mnoge važne ljudske bolesti, od anemije do raka krvi kao što je leukemija. Mnoge vrste krvnih zrnaca uključuju crvena krvna zrnca koja nose kiseonik, trombocite koji podstiču zgrušavanje, kao i bezbroj tipova imunih ćelija koje štite naša tela od pretnji kao što su virusi i bakterije.
Ono što je zajedničko ovim različitim tipovima krvnih zrnaca je da ih sve proizvode hematopoetske matične ćelije (HSC). HSC moraju nastaviti da proizvode krvna zrnca u velikim količinama tokom celog našeg života kako bi stalno dopunjavali zalihe našeg tela. Istraživači žele da bolje razumeju HSC i dinamiku kako oni proizvode mnoge vrste krvnih zrnaca, kako da bi razumeli osnove proizvodnje ljudske krvi, tako i da bi razumeli kako se proizvodnja krvi menja tokom starenja ili u slučajevima bolesti.
Džonatan Vajsman, profesor biologije na MIT-u, član Vajthed instituta za biomedicinska istraživanja i medicinski istraživač Hauarda Hjuza; Vijai Sankaran, vanredni profesor Bostonske dečje bolnice i Medicinske škole Harvarda, koji je takođe pridruženi član Broad Instituta MIT-a i Harvarda i redovni lekar na Institutu za rak Dana Farber; i Chen Veng, postdoktor u obe njihove laboratorije, razvili su novu metodu koja pruža detaljan pogled na porodična stabla ljudskih krvnih zrnaca i karakteristike pojedinačnih ćelija, pružajući novi uvid u razlike između linija HSC.
Istraživanje, objavljeno u časopisu Nature 22. januara, daje odgovore na neka dugotrajna pitanja o proizvodnji krvnih zrnaca i kako se ona menja kako starimo. Rad takođe pokazuje kako ova nova tehnologija može dati istraživačima pristup bez presedana istoriji ljudskih ćelija i uvid u to kako su te istorije oblikovale njihova trenutna stanja. Ovo će otvoriti mnoga pitanja o našoj biologiji na koja ranije nije bilo odgovora.
„Želeli smo da postavimo pitanja koja nam postojeći alati nisu mogli dozvoliti“, kaže Veng. „Zbog toga smo spojili različitu stručnost Džonatana i Vidžaja da bismo razvili novu tehnologiju koja nam omogućava da postavimo ta pitanja i više, kako bismo mogli da rešimo neke od važnih nepoznanica u proizvodnji krvi.
Vajsman i drugi su ranije razvili metode za mapiranje porodičnog stabla ćelija, proces koji se naziva praćenje loze, ali se to obično radi kod životinja ili konstruisanih ćelijskih linija. Vajsman je koristio ovaj pristup da rasvetli kako se karcinomi šire i kada i kako razvijaju mutacije koje ih čine agresivnijim i smrtonosnijim.
Međutim, iako ovi modeli mogu da osvetle opšte principe procesa kao što je proizvodnja krvi, oni ne daju istraživačima punu sliku o tome šta se dešava unutar živog čoveka. Oni ne mogu obuhvatiti punu raznolikost ljudskih ćelija ili implikacije te raznolikosti na zdravlje i bolesti.
Jedini način da se dobije detaljna slika o tome kako se loze krvnih ćelija menjaju kroz generacije i koje su posledice tih promena je da se izvrši praćenje loze na ćelijama iz ljudskih uzoraka. Izazov je u tome što su u istraživačkim modelima koji su korišćeni u prethodnim studijama praćenja loza, Veissman i kolege uredili ćelije kako bi dodali bar kod koji se može pratiti, niz DNK koji se malo menja sa svakom deobom ćelije, tako da istraživači mogu da mapiraju promene koje odgovaraju ćelije svojim najbližim srodnicima i rekonstruišu porodično stablo.
Istraživači ne mogu da dodaju bar kod ćelijama kod živih ljudi, pa moraju da pronađu prirodni: neki niz DNK koji već postoji i koji se menja dovoljno često da omogući rekonstrukciju ovog porodičnog stabla.
Traženje mutacija u celom genomu je skupo i uništava materijal koji istraživači treba da prikupe da bi saznali o stanjima ćelija. Pre nekoliko godina, Sankaran i kolege su shvatili da bi mitohondrijska DNK mogla biti dobar kandidat za prirodni bar kod. Mitohondrije su u svim našim ćelijama i imaju svoj genom, koji je relativno mali i podložan mutaciji. U tom ranijem istraživanju, Sankaran i njegove kolege su identifikovali mutacije u mitohondrijskoj DNK, ali nisu mogli da pronađu dovoljno mutacija za izgradnju kompletnog porodičnog stabla: u svakoj ćeliji su detektovali samo u proseku mutacije od nula do jedan.
Sada, u radu koji je vodio Veng, istraživači su 10 puta poboljšali svoje otkrivanje mutacija mitohondrijske DNK, što znači da u svakoj ćeliji pronađu oko 10 mutacija – dovoljno da služe kao identifikacioni bar kod. Ovo su postigli kroz poboljšanja u načinu na koji eksperimentalno otkrivaju mutacije mitohondrijalne DNK i kako potvrđuju da su te mutacije stvarne kompjuterski.
Njihova nova i poboljšana metoda praćenja loze zove se ReDeeM, akronim koji je izvučen iz jednoćelijske „regulatorne multi-omike sa dubokim profilisanjem mitohondrijalnih mutacija“. Koristeći ovu metodu, oni mogu da ponovo kreiraju porodično stablo hiljada krvnih ćelija iz uzorka ljudske krvi, kao i da prikupe informacije o stanju svake pojedinačne ćelije: nivoima ekspresije gena i razlikama u epigenomu, ili dostupnosti regiona DNK za biti izraženi.
Kombinovanje porodičnog stabla ćelija sa stanjem svake pojedinačne ćelije je ključno za razumevanje kako se ćelijske loze menjaju tokom vremena i kakvi su efekti tih promena. Ako istraživač precizira mesto u porodičnom stablu gde loza krvnih zrnaca, na primer, postaje pristrasna prema proizvodnji određene vrste krvnih zrnaca, onda može da pogleda šta se promenilo u stanju ćelija pre te promene kako bi otkrili koji su geni i putevi doveli do te promene ponašanja. Drugim rečima, oni mogu da koriste kombinaciju podataka da razumeju ne samo da je došlo do promene, već i koji mehanizmi su doprineli toj promeni.
„Cilj je povezati trenutno stanje ćelije sa prošlom istorijom“, kaže Vajsman. „Mogućnost da to uradimo na neometanom ljudskom uzorku omogućava nam da posmatramo dinamiku procesa proizvodnje krvi i razumemo funkcionalne razlike u hematopoetskim matičnim ćelijama na način koji jednostavno nije bio moguć ranije.“
Koristeći ovaj pristup, istraživači su napravili nekoliko zanimljivih otkrića o proizvodnji krvi.
Istraživači su mapirali porodična stabla krvnih zrnaca izvedenih iz svakog HSC. Svaka od ovih linija se naziva klonska grupa. Istraživači su imali različite hipoteze o tome kako klonske grupe funkcionišu: možda su zamenljive, pri čemu svaka matična ćelija proizvodi ekvivalentan broj i tipove krvnih zrnaca. Možda su specijalizovani, pri čemu jedna matična ćelija proizvodi crvena krvna zrnca, a druga bela krvna zrnca. Možda rade u smenama, pri čemu neki HSC leže u mirovanju, dok drugi proizvode krvna zrnca.
Istraživači su otkrili da je kod zdravih, mladih pojedinaca odgovor negde u sredini: u suštini svaka matična ćelija proizvodi svaku vrstu krvnih zrnaca, ali određene loze su imale pristrasnosti prema proizvodnji jedne vrste ćelija u odnosu na drugu. Istraživači su uzeli dva uzorka od svakog ispitanika u razmaku od četiri meseca i otkrili da su ove razlike između linija stabilne tokom vremena.
Zatim su istraživači uzeli uzorke krvi od ljudi starije životne dobi. Otkrili su da kako ljudi stare, neke klonske grupe počinju da dominiraju i proizvode značajno iznad proseka procenat ukupnih krvnih zrnaca. Kada klonska grupa nadmaši druge poput ove, to se zove ekspanzija. Istraživači su znali da se kod određenih bolesti, jedna klonska grupa koja sadrži mutaciju povezanu sa bolešću može proširiti i postati dominantna. Nisu znali da je klonsko širenje sveprisutno u starenju čak i kod naizgled zdravih pojedinaca, ili da je bilo tipično za širenje više klonskih grupa.
Ovo komplikuje razumevanje klonalne ekspanzije, ali baca svetlo na to kako se proizvodnja krvi menja sa godinama: Raznovrsnost klonskih grupa se smanjuje. Istraživači rade na otkrivanju mehanizama koji omogućavaju određenim klonskim grupama da se prošire na druge. Oni su takođe zainteresovani za testiranje klonskih grupa na markere bolesti kako bi razumeli koje su ekspanzije uzrokovane ili bi mogle doprineti bolesti.
ReDeeM je omogućio istraživačima da naprave niz dodatnih zapažanja o proizvodnji krvi, od kojih su mnoga u skladu sa prethodnim istraživanjima. Ovo je ono što su se nadali da vide: činjenica da je alat efikasno identifikovao poznate obrasce u proizvodnji krvi potvrđuje njegovu efikasnost. Sada kada istraživači znaju koliko dobro funkcioniše metoda, mogu je primeniti na mnoga različita pitanja o odnosima između ćelija i o tome koji mehanizmi pokreću promene u ponašanju ćelija. Oni ga već koriste da saznaju više o autoimunim poremećajima, raku krvi i poreklu određenih vrsta krvnih zrnaca.
Istraživači se nadaju da će drugi koristiti svoj metod da postavljaju pitanja o dinamici ćelija u mnogim scenarijima zdravlja i bolesti. Sankaran, koji je hematolog u praksi, takođe se nada da će metoda jednog dana revolucionisati podatke o pacijentima kojima kliničari imaju pristup.
„U ne tako dalekoj budućnosti, mogli biste da pogledate dijagram pacijenata i vidite da ovaj pacijent ima abnormalno nizak broj HSC-a ili nenormalno visok broj, i to bi vas informisalo o tome kako mislite o riziku od njihove bolesti“, Sankaran kaže. „ReDeeM pruža novo sočivo kroz koje se može razumeti dinamika proizvodnje krvi klonova i kako se ona može promeniti u ljudskom zdravlju i bolestima. Na kraju, moći ćemo da primenimo te lekcije na negu pacijenata.“
