Naučnici su pronašli način da prate u realnom vremenu kako matične ćelije koštane srži proizvode različite tipove ćelija u krvi – proces koji se zove hematopoeza.
Nakon kreiranja novog modela miša za snimanje ponašanja ćelija u realnom vremenu i povezanih obrazaca ekspresije gena u visokoj rezoluciji, istraživači su uspeli da razviju jasnu sliku o tome kako se ponašaju hematopoetske matične ćelije (HSC), koje se nalaze u koštanoj srži.
Sposobnost modela miša da uhvati in vivo ponašanje ćelije u realnom vremenu u odnosu na obrasce ekspresije gena znači da se može koristiti za istraživanje bilo kog aspekta hematopoeze koštane srži, kako u fiziologiji tako iu bolesti.
Ovaj novi pristup predstavlja važan doprinos istraživanju raka, jer abnormalna diferencijacija HSC-a može dovesti do leukemije, limfoma i mijeloma – glavnih tipova raka krvi. Takođe može uticati na progresiju tumora. Zbog toga je ključno da naučnici mogu razumeti, pa čak i predvideti kako ove ćelije reaguju na promene u svom prirodnom okruženju, kao što je u koštanoj srži.
Istraživači sa Instituta za istraživanje raka u Londonu zajedno su vodili studiju, koja je objavljena u časopisu Cell Stem Cell. Saradnja grupa Getgens, Kranc i O’Carroll obavljena je na Univerzitetu Kueen Mari u Londonu, Univerzitetu Kembridž i Univerzitetu u Edinburgu.
HSC su definisane njihovom sposobnošću da se samoobnavljaju i njihovim potencijalom da se diferenciraju u bilo koju od glavnih vrsta ćelija u krvi: T-limfocite, B-limfocite, crvene krvne ćelije (eritrocite), trombocite, bazofile, eozinofile, neutrofile ili monociti.
Ove matične ćelije napreduju kroz različite međufaze tokom sazrevanja, stvarajući različite tipove progenitorskih ćelija koje sazrevaju u ćelije različitih linija. Na primer, neki HSC proizvode limfoidne progenitorne ćelije, koje dalje postaju T-limfociti i B-limfociti.
Naučnici su znali za ovu hematopoetsku hijerarhiju dugi niz godina, ali do sada su se suočavali sa preprekama kada su pokušavali da modeliraju progresiju pojedinačnih ćelija kroz nju u realnom vremenu – nešto što je moguće samo u koštanoj srži živog organizma.
Imunofenotipizacija, vrsta testa koji se koristi za otkrivanje prisustva markera krvnih ćelija, daje samo snimke proizvodnje krvi niske rezolucije i ne može razlikovati različite hematopoetske matične i progenitorne ćelije. Alternativna tehnika koja se zove jednoćelijsko RNK sekvenciranje (scRNA-sek), koja otkriva ekspresiju gena pojedinačnih ćelija u datoj populaciji, ne uključuje vremenski element, tako da ne može jasno da prikaže kako se ove ćelije menjaju tokom vremena.
Da bi prevazišli ove probleme, istraživači koji stoje iza trenutne studije razvili su novi model miša. Oni su indukovali ekspresiju reporterskog gena u HSC, koji ih genetski obeležava i omogućava praćenje njihovog razvoja u diferencirane ćelije.
Zatim su sproveli scRNA-sek u različitim vremenskim tačkama da bi odredili dinamičke odnose između matičnih ćelija i populacija progenitornih ćelija, uključujući stope ćelijske deobe i vreme potrebno da ćelije različitih tipova sazrevaju. Posebno, na osnovu ovih nalaza, istraživači su koristili matematičko modeliranje kako bi razvili prediktivni okvir za dalje eksperimente in vivo.
Upoređujući broj i tip obeleženih ćelija u svakoj analizi scRNA-sek, tim je uspeo da precizno izračuna stope diferencijacije krvnih ćelija – nešto što ranije nije postignuto. Veliki broj obeleženih progenitorskih ćelija u odeljku za ćelije nizvodno ukazuje na brzu tranziciju između faza sazrevanja, dok nedostatak promene između analiza ukazuje na visoke stope samoobnavljanja HSC/progenitornih ćelija.
Jedno od mnogih specifičnih pitanja na koje su istraživači želeli da odgovore bilo je da li se zajedničke mijeloidne progenitorne ćelije (CMP) mogu razlikovati u bilo koji od tipova mijeloidnih ćelija – eritrocite, trombocite, neutrofile ili monocite. Istraživači imaju pomešane stavove o ovome, a neki navode da je većina CMP-a u stvari pristrasna prema proizvodnji određenog tipa ćelije, što znači da nisu multipotentni.
Studija, koju je zajedno vodio profesor Kamil Kranc – novi direktor ICR-ovog Centra za in vivo modeliranje, pokazala je da CMP mogu proizvesti samo različite tipove diferenciranih ćelija u pravim uslovima. Kada su CMP presađeni ili okruženi citokinima – signalnim proteinima koji utiču na rast ćelija – oni su imali tendenciju da generišu samo ćelije istog tipa. Međutim, kada im je dato više vremena da se prošire u svom prirodnom okruženju koštane srži, CMP se pokazao kao multipotentan.
Profesor Kranc, profesor hemato-onkologije na ICR-u, rekao je: „Naše analize su pokazale da progenitorskim ćelijama kao što su CMP potrebno je dovoljno vremena da ‘istraže’ svoju potencijalnu sudbinu i daju različite izlaze krvnih zrnaca. Međutim, kada uslovi promovišu brzu diferencijaciju, progenitorne ćelije ćelije nemaju dovoljno vremena da odluče o svom izboru sudbine i one su kanalisane ka proizvodnji manje raznovrsnog rezultata.“
Istraživači su takođe proučavali kako se genska ekspresija promenila zajedno sa određenim ponašanjem ćelija, fokusirajući se na ćelije koje su bile podvrgnute povećanoj proliferaciji ili ubrzanoj diferencijaciji. Oni su identifikovali specifične obrasce ekspresije gena koji su u korelaciji sa samoobnavljanjem ćelija i razvojem određenih vrsta krvnih zrnaca.
Ovaj novi pristup mogao bi pomoći istraživačima širom sveta da bolje razumeju kako različita stanja, kao što su hemoterapija, starenje i infekcije, utiču na dinamiku proizvodnje krvnih ćelija kod raka i drugih bolesti.
Profesor Kranc, koji se pridružio ICR-u sa Univerziteta Kueen Mari u Londonu, rekao je: „Kako HSC funkcionišu in situ u koštanoj srži i kako stvaraju različite progenitore u realnom vremenu tokom neometane hematopoeze nikada nije razjašnjeno. Naš rad se direktno bavio ovim .
„Štaviše, naš pristup ima potencijal da otkrije novu biološku dinamiku u visokoj rezoluciji u bilo kom biološkom sistemu. Nadamo se da će ga i drugi istraživači moći primeniti na razumevanje ove dinamike u drugim tkivima i organima, uključujući i tokom raka.“
„Modeli miša su jedan od naših najvrednijih alata u istraživanju raka jer nam omogućavaju da proučavamo tumore sa istim karakteristikama kao i ljudski tumori, dajući nam bolje podatke nego što možemo dobiti koristeći ćelije raka u laboratorijskoj posudi. Naši novi i ogromni skupovi podataka su dostupan istraživačkoj zajednici, i verujemo da se naš inovativni model može koristiti za predviđanje kako normalna i maligna hematopoeza može reagovati na različite stimuluse u fiziologiji, u bolesti i nakon lečenja.“
