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, rengdamiesi naujam tyrimui, pristatė įrenginį, padėsiantį geriau suprasti ankstyvąsias tuberkuliozės (TB) stadijas, įskaitant ir iki šiol mažai aiškų delsos laikotarpį tarp užsikrėtimo ir pirmųjų simptomų pasireiškimo.
Šis modelis taip pat gali atskleisti, kaip paciento genetiniai skirtumai lemia skirtingą ligos eigą, o tai turi didelę reikšmę individualizuotos medicinos plėtrai.
Manoma, kad maždaug ketvirtadalis pasaulio gyventojų yra užsikrėtę tuberkuliozės bakterijomis. Tik daliai šių žmonių liga išsivysto, tačiau net ir tai sudaro daugiau kaip 10 milijonų naujų ligos atvejų ir daugiau nei 1 milijoną mirčių kasmet visame pasaulyje.
Tuberkuliozė progresuoja lėtai – simptomai dažnai pasireiškia tik po kelių mėnesių. Siekdami geriau suprasti šį uždelstą laikotarpį, tyrėjai sutelkė dėmesį į smulkias oro pūsleles plaučiuose – alveoles, kuriose vyksta lemiama imuninės sistemos ląstelių ir bakterijų kova.
„Oro maišeliai plaučiuose yra kritinė pirmoji organizmo gynybos nuo infekcijų linija, 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, tačiau 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 M. 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 M. Gutierrezas. – „Dėl to tokie modeliai negali tiksliai 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 identiškos 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“, – aiškina pirmasis autorius Jaksonas Lukas, podoktorantūros stažuotojas M. Gutierrezo laboratorijoje.
„Šios ląstelės auga membranos viršutinėje pusėje“, – tęsia J. 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“, – sako J. 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 telkėsi 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 J. Lukas.
Vis dėlto 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 J. 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“, – pabrėžia tyrimo autorius.
Nors reikalingi tolesni tyrimai, J. 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 J. Lukas.
„Mikroschemos technologija prisideda prie plataus individualizuotos medicinos proveržio“, – papildo M. Gutierrezas. – „Ji gali padėti suprasti, kaip genetiniai veiksniai lemia tai, ar konkretus gydymas bus veiksmingas, ar ne.“
