Kada se vozimo do nove destinacije, često utišamo stereo dok pratimo uputstva. Ono što je bila muzika odjednom zvuči kao buka i ometa naš fokus.
Naše razumevanje o tome kako zarazne bolesti poput COVID-a utiču na ljudska pluća je na sličan način poremećeno bukom. Podaci iz plućnog tkiva pacijenata uveliko variraju od osobe do osobe, zamagljujući osnovne mehanizme tačnog načina na koji SARS-CoV-2 prvo inficira ćelije pluća. To je i naknadna analiza—kao da pokušavamo da mapiramo put kojim je virus vratio tri države nazad.
Smanjivanje buke varijabilnosti proučavanjem genetski identičnih tkiva od prvog trenutka infekcije moglo bi osvetliti put kojim se kreće patogen. Koje ćelije su inficirane i kada? Koji je nivo infekcije i kako se razlikuje u zavisnosti od tipa ćelije? Kako se menja u različitim uslovima?
A šta ako je moguće pratiti hiljade ovih infekcija odjednom? To bi moglo da revolucioniše naše razumevanje infekcija i lekova koji se koriste za borbu protiv njih.
To je nada za novu naprednu tehnologiju sposobnu da uzgaja mini organe na mikročipovima. Laboratorije Ali Brivanlou sa Univerziteta Rokfeler i Čarls M. Rajs sarađivale su na usavršavanju tehnološke platforme ćelijske kulture koja uzgaja genetski identične plućne pupoljke – embrionalne strukture koje stvaraju naše organe za disanje – iz ljudskih embrionalnih matičnih ćelija (hESC). Nalazi su nedavno objavljeni u Stem Cell Reports.
Kada se postave na niz mikročipova i pažljivo doziraju prilagođenim koktelom signalnih molekula, hESC se brzo organizuju u „mikro-pluća“ koja imaju punu složenost tkiva. Ovi pupoljci se mogu uzgajati u hiljadama, što omogućava analizu bez presedana visoke propusnosti infekcije plućnog tkiva bez svih bučnih varijabli.
Rezultat je neograničen, brz i skalabilan pristup plućnom tkivu koje ima ključna obeležja razvoja ljudskih pluća i može se koristiti za praćenje plućnih infekcija i identifikaciju kandidata za terapiju.
„Ova pluća su u osnovi klonovi“, kaže Ali Brivanlou. „Imaju potpuno isti DNK potpis. Na taj način ne moramo da brinemo o tome da će jedan pacijent reagovati drugačije od drugog. Kvantifikacija nam omogućava da genetske informacije održavamo konstantnim i merimo ključnu varijablu — virus.“
Embrionalne matične ćelije mogu se beskonačno deliti da bi stvorile više matičnih ćelija ili da bi se razlikovale u bilo koje drugo tkivo. Brivanlouova Laboratorija za sintetičku biologiju dugo je istraživala njihov potencijal.
Brivanlou je udružio snage sa Rokfelerovim kolegom Čarlsom M. Rajsom tokom pandemije COVID-a: njegova laboratorija je imala tehnologiju mikročipa za uzgoj plućnih pupoljaka, a Rajsova laboratorija je imala neophodnu biološko-bezbednosnu dozvolu neophodnu da ih zarazi SARS-CoV-2 i prouči ishod.
Godine 2021., prvi autori Edvin Rosado-Olivijeri, biolog matičnih ćelija u Brivanlouovoj laboratoriji, i Brendon Razooki, tada postdoktor u Rajsovoj Laboratoriji za virusologiju i infektivne bolesti, počeli su da nagovaraju ćelije da se organizuju u specijalizovanije forme. Matične ćelije se ne organizuju same. Potreban im je skučen prostor — kao što je bunar za mikročip — i podsticaji da izazovu promene. Podražaji dolaze iz četiri glavna signalna puta koji indukuju matične ćelije da se diferenciraju u specifične tipove ćelija.
Posle otprilike dve nedelje, ćelije pluća grupe su formirale identične pupoljke čiji se molekularni profili usko poklapaju sa onima u najranijim fazama razvoja pluća fetusa – uključujući formiranje disajnih puteva i alveola, struktura za koje se zna da su oštećene kod mnogih ljudi sa teškim COVID-om.
Od tada, istraživači su koristili platformu da razumeju kako SARS-CoV-2 inficira različite ćelije pluća.
Alveole su sitne vrećice na kraju grana pluća koje upravljaju razmjenom gasova koja se vrši pri svakom udisanju: kiseonik ulazi, ugljen dioksid izlazi. Masovnim proučavanjem kloniranih ćelija alveola, istraživači su otkrili da su alveole podložnije infekciji SARS-CoV-2 nego ćelije disajnih puteva, koje su čuvari organa – prva odbrana od svih inhalacionih pretnji. Ako je virus prošao pored njih, alveole su bile sedeće patke. Drugi pogled na čestice virusa (plave) koje inficiraju alveolarno i tkivo disajnih puteva (crveno). Kredit: Rokfelerov univerzitet
Takođe su pogodili dobitnu kombinaciju signalnih proteina za stvaranje najsnažnijih serija plućnih pupoljaka – mešavine faktora rasta keratinocita (KGF) i koštanog morfogenetskog proteina 4 (BMP4). Oba doprinose diferencijaciji i rastu ćelija.
Zanimljivo je da BMP put ima lošu stranu. Kada su istraživači uporedili zaražene plućne pupoljke sa postmortalnim tkivom pacijenata sa COVID-om, otkrili su da je signalni put BMP indukovan u oba i učinio tkiva podložnijim infekcijama. Blokiranje BMP puta učinilo je ćelije manje ranjivim.
Istraživači napominju da se platforma takođe može koristiti za istraživanje mehanizama gripa, RSV-a, plućnih bolesti i raka pluća, između ostalih bolesti. Štaviše, može se koristiti za skrining novih lekova za njihovo lečenje.
Štaviše, pluća su daleko od jedinog organa od interesa. „Širi fokus našeg rada je razumevanje ćelijskog razvoja kako bismo napravili sintetičke organe i tkiva koja možemo koristiti za modeliranje bolesti i pronalaženje terapijskih mehanizama“, kaže Rosado-Olivieri. Jetra, bubrezi i pankreas su verovatno sledeće mete.
„Platforma će nam takođe omogućiti da odgovorimo na sledeću pandemiju sa mnogo većom brzinom i preciznošću“, dodaje Brivanlu. „Možemo brzo da iskoristimo ovu platformu kako bismo virus učinili vidljivim i razvili terapije mnogo brže nego što smo to uradili za COVID. Može se koristiti za skrining lekova, jedinjenja, vakcina, monoklonskih antitela i direktno u ljudskom tkivu. Ova tehnologija je spreman da se suoči sa svim vrstama pretnji koje nas mogu pogoditi u budućnosti“.
