Pri slovách zhúžvať, stlačiť alebo pokrčiť, obzvlášť v spojení s niečím takým maličkým, ako sú bunky a štruktúry vnútri buniek, sa nám intuitívne vybaví predstava poškodenia alebo obmedzenia funkcie. Nové poznatky ale svedčia o niečom úplne inom. 

Tento týždeň vyšiel v časopise Cell Stem Cell článok, ktorého záver môžeme parafrázovať slovami: „Stláčaním k vyšším bunkovým výkonom.“ Nelogickým výrokom by sa človek nemal venovať, ale urobíme výnimku. Ide totiž o informáciu v prestížnom časopise a autormi štúdie sú vedci z Massachusettskej technickej univerzity a Bostonskej nemocnice. Čo priviedlo výskumníkov k tvrdeniu, že jednoduché fyzické stláčanie bunkám prospieva a zlepšuje ich „zdravie“?

Ako argument uvádzajú, že „priškrtené“ bunky sa odhodlávajú na rýchlejšie delenie, než k akému by sa rozkývali za normálnych okolností. Pravdepodobne vám teraz napadlo, že sa niekde prerátali, pretože delenie nie je dôkazom zdravia a že za enormným delením sa rado skrýva aj to nenormálne až zvrhlé delenie. Tentokrát by to tak ale nemalo byť a pre jav blahodarného stláčania, ktorý vedci pozorovali, majú už aj vysvetľujúcu hypotézu. Najprv ale niečo bližšie o pokusoch, ktoré im umožnili dať si svoje nelogické výsledky do logických súvislostí.

V názve štúdie sa objavuje termín črevné organoidy. Pod pojmom evokujúcim niečo spojené s parazitmi si ale treba predstaviť malý zhluk buniek, ktorý bol umelo vypestovaný z kmeňových buniek v laboratóriu a podobá sa na miniatúrny orgán. Nie tvarom, ale funkčnosťou buniek. Ide o zhluk buniek, ktoré už majú znaky a tiež plnia úlohy, aké by zastávali, keby boli plnohodnotnými bunkami klasického orgánu. Je ľahké uhádnuť, že o také bunky je záujem. Uvažuje sa o nich ako o prostriedku, ktorým by sa v našich telesných schránkach mohli opraviť z nejakých príčin poškodené tkanivá.
 
Aj keď s pestovaním náhradných dielov z organoidov ešte nie sme ďaleko, i tak sa zatiaľ len niekoľkomilimetrové zhluky buniek stávajú vysoko žiadaným artiklom. Napríklad je možné na nich rýchlo testovať, čo s našimi črevami urobia kandidátne látky na lieky. Dajú sa na nich s malými nákladmi študovať procesy prebiehajúce v skutočných orgánoch a správanie buniek pri rôznych ochoreniach. Akýkoľvek nový poznatok, ktorý posúva poznanie správania buniek v organoidoch, je preto významný.
 
Článok, o ktorom hovoríme, sa týka črevných organoidov, ktorých úskalím nie je ani tak to, ako ich získať, ale skôr to, ako ich získať rýchlo a vo veľkých objemoch. Autori štúdie našli spôsob, ako je možné v rastúcich organoidoch prinútiť bunky k rýchlejšiemu deleniu. A nielen to. Odborným jazykom sa zmieňujú aj o posilnení stavu kmeňových buniek. Tým myslia populáciu buniek, ktoré sú v organoidoch ešte nediferencované a schopné ďalej sa deliť a umožniť vznik ďalších rozmanito špecializovaných zástupov črevných buniek. Inak povedané, vylepšili organoidy smerom k ich praktickému všestrannejšiemu využitiu.

Tým najdôležitejším poznatkom je prekvapivý účinok tlaku na bunky prejavujúci sa efektom rýchlejšieho rastu. Aj po relatívne malom stlačení buniek sa mení ich veľkosť a tie menšie sa s väčšou radosťou množia.

Tým najdôležitejším poznatkom je už v úvode spomenutý prekvapivý účinok tlaku na bunky prejavujúci sa efektom rýchlejšieho rastu. Aké vysvetlenie svojich pozorovaní vedci ponúkli? Tým, že sa na bunky zatlačí, vytlačí sa z nich časť vody a zároveň sa zmenšuje ich objem. V stiesnenom priestore sa aktívne proteíny ľahšie dostávajú do kontaktu a nimi sprostredkované pochody začnú prebiehať rýchlejšie. Podobne ako chemické reakcie, ktoré prebehnú v koncentrovanejších roztokoch rýchlejšie. Tlak na bunky ale nemení len pomery vnútri buniek. Mení a uľahčuje aj vzájomné kontakty medzi susednými bunkami. Receptory na ich povrchu tiež začnú mať k sebe bližšie a ľahšie sa „dohodnú“. V odbornom žargóne tomu vedci hovoria uľahčenie aktivácie génov signálnym molekulám.

Určitou pikantnosťou nového objavu je, že hoci ide o poznatok získaný na dvoch tradične amerických pracoviskách, ktoré patria k tým najprestížnejším, meno vedúceho kolektívu je Ming Guo a všetci šiesti spolupracovníci (Yiwei Li, Jiliang Hu, Qirong Lin, Maorong Chen, Ren Sheng a Xi He) majú mená, čo neznejú práve americky.
 
Vráťme sa ale k tomu, ako k terajším záverom vedci dospeli. Na počiatku všetkého bolo pozorovanie zmeny tvaru a veľkosti buniek v konfokálnom mikroskope, ktorý umožňuje 3D zobrazovanie. Predpoklad, že za zmršťovaním buniek pod tlakom stojí vylučovanie vody, bolo treba overiť. Úbytok hmotnosti umožnila laserová technika s optickou pinzetou. Týmto náradím sa dajú merať aj malé sily potrebné na posúvanie objektov, akými sú bunky. Okrem porovnávania hmotností je možné rovnakou technikou na bunkách zistiť ďalšie parametre. Ak bunku „zaženieme do kúta“, kde už nemá kam ustúpiť, alebo ju nejako inak ukotvíme, dá sa odmerať sila potrebná na deformáciu jej membrány. Takýto parameter potom vypovedá o hustote cytoplazmy. Vedci si týmto spôsobom overili, že aj po relatívne malom stlačení buniek sa mení ich veľkosť a tie menšie sa s väčšou radosťou množia.

Ostávalo nejakým spôsobom dokázať, že za tým stoja zmeny v interakciách štruktúr vnútri buniek. Na to si vybrali sledovanie proteínov zodpovedných za signalizáciu označovanú ako Wnt/β-katenín. Prečo práve ju? Pretože predstavuje pre bunku dôležité pokyny, ktoré fungujú ako prepínač a spúšťajú rast alebo otáľanie vo fyziologických pochodoch predchádzajúcich rastu. Vedia teda bunke v istom zmysle dať do cesty značku STOP, ktorá jej chúťky na množenie zatrhne.

Možno je ešte vhodné dodať, že tu nejde len o množenie buniek, ale aj o ich „kariérny rast“. Bunky sa nekontrolovateľne množia, ako v prípade rastu tkanív embrya, rovnako živelne aj v prípade rakoviny. Ako sa ale hovorí, keď dvaja robia to isté, výsledok nemusí byť rovnaký. To, že signalizácia strká prsty do množenia buniek, sa už nejaký čas vie. Teraz ale vznikla požiadavka zistiť, akú rolu v tom hrá stláčanie buniek. Či dobrú, alebo tú zlú – vo vzťahu k množeniu bunkových rakovinových zvrhlíkov.

Dopadlo to dobre. Tlačenie na bunky organoidov, vypestované z črevných buniek, naštartovalo Wnt dráhy pre rýchlosť rastu, ale bez toho, aby vyvolávalo plodenie obávaných zhubných zvrhlíkov. Dá sa povedať, že sa tým posunulo poznanie základov tvorby orgánov o krôčik ďalej. A priblížila sa aj vízia obnovy čriev. Bolo načase, pretože resekcií hrubého a tenkého čreva, ktorých príčinou je obľuba údenín, tučného jedla a pod. je v našej populácii čoraz viac.
 
Aj predchádzajúce poznatky Guovho tímu s tými súčasnými tak trochu súvisia. Pri experimentovaní s ľudskými rakovinovými bunkami prsníka pozorovali, že s rastom nádoru po približne dvoch týždňoch začnú byť bunky vnútri nádoru malé a tuhé, zatiaľ čo bunky na periférii nádoru majú tendenciu napučať. Mäkšie napučané periférne bunky sa rady rozťahovali za hranice nádoru a vytvárali „invazívne špičky“. Ich „odlamovaním“ sa tvorili metastázy a rakovina sa šírila.

Tlak, pevnosť a pružnosť hrajú v živote buniek významnú úlohu.

Za zmienku stoja aj poznatky vedcov zo Stanfordu. Tí nedávno publikovali zistenie, aké dôležité je pri oplodnení v skúmavke posúdiť tuhosť embrya a prenášať do maternice len tie „hutné“. Ich skúsenosti svedčia o tom, že iba embryá (resp. ich bunky), ktoré kladú najväčší odpor, keď sa na ne pritlačí (sú pružné), majú v poriadku membránu, cytoskelet a správnu funkciu iontových kanálov a púmp, a teda vyššiu šancu na prežitie. Aj keď v prípade buniek embryí nemusí ísť o rovnaký mechanizmus, tak tu máme ďalšiu indíciu, že tlak, pevnosť a pružnosť hrajú v živote buniek významnú úlohu.
 
Ale naspäť k experimentom na črevných bunkách. Ešte sme si nepovedali to podstatné – ako a čím vedci tento tlak na bunky vyvíjali. Na rozdiel od všetkých ostatných techník až neuveriteľne jednoducho. Bunky v štádiu, keď začínali tvoriť organoidy, dali na Petriho misku a zaliali agarom. Na ten potom položili závažie. To stačilo, aby sa bunky začali cítiť komfortnejšie a celý organoid rýchlo rástol. Všetko teda nasvedčuje tomu, že pôsobenie tlaku na bunky je silný impulz pri formovaní tkanív ex vivo. A je to veru správny pokyn, pretože nesmeruje bunky k zhubnému bujneniu, ale k tomu želanému – zdravému.
 

Vedci si vo svojich úvahách dovolili ísť ešte ďalej. Z výsledkov pokusov usudzujú, že bunky, resp. tkanivá si nejako vedia predpisovať množstvo vody vo svojej bunkovej cytoplazme a že si tým samy regulujú svoju aktivitu a svoje „zdravie“. Niečo ako keď sa my prinútime športovať. Takému výkladu ide v ústrety fakt, že keď sa tlakom vypudí časť vody z cytoplazmy buniek, organoid nielenže rýchlejšie rastie, ale má aj väčšie zastúpenie kmeňových buniek. Tých buniek, ktoré sú schopné umožniť vznik akýchkoľvek buniek. Kmeňové bunky sú všeobecne považované za to najdôležitejšie, o čo pri obnove tkanív a orgánov ide. Preto vedci hovoria o efekte „omladzovania“. Nemyslia tým ani tak tlak vyvíjaný na bunky, ako skôr budúce poznatky, ktoré vysvetlia mechanizmy riadiace „vodnateľnosť“ a aktivitu buniek.

Záver

Ako sa zdá, aj pri bunkách platí, že ak naberú hmotnosť, zlenivejú. Aj keď pravou príčinou by mohlo byť, že atmosférický tlak pestovaným bunkám v kultúre nesvedčí, pretože je nefyziologický a že v tele sú vystavené väčšiemu tlaku než atmosférickému. Nové poznatky by mohli nájsť uplatnenie v regeneračnej, rekonvalescentnej, transplantačnej medicíne a pravdepodobne aj v iných oblastiach.

---

Literatúra

Yiwei Li et al, Volumetric Compression Induces Intracellular Crowding to Control Intestinal Organoid Growth via Wnt/β-Catenin Signaling, Cell Stem Cell (2020). DOI: 10.1016/j.stem.2020.09.012