Kiaulių kasos vystymasis yra daug labiau panašus į žmones nei nustatytas pelių modelis. Tarptautinė komanda, vadovaujama Helmholtzo Miuncheno ir Vokietijos diabeto tyrimų centro (DZD), dabar parengė išsamų evoliucinį kasos vystymosi vienaląsčių atlasų palyginimą. Rezultatai atveria naujas regeneracinės terapijos perspektyvas.
Dešimtmečius kasa ir jos vystymasis buvo pagrindinis diabeto ir vėžio tyrimų dėmesys. Iki šiol mokslas buvo beveik išimtinai pagrįstas pelių modeliais. Tačiau pelės nuo žmonių skiriasi daugeliu atžvilgių – nuo vystymosi trukmės iki metabolizmo ir genų reguliavimo.
„Ypač sudėtingoms ligoms, tokioms kaip cukrinis diabetas, mums reikia modelių, kurie tikrai būtų panašūs į žmones“, – pabrėžia prof. Heiko Lickert. DZD mokslininkas yra Helmholtz Miuncheno Diabeto ir regeneracijos tyrimų instituto direktorius ir Miuncheno technikos universiteto (TUM) profesorius.
Neseniai paskelbtame tyrime Gamtos komunikacijoskomanda pristatė pirmąją išsamią vienaląstę pelių, žmonių ir kiaulių kasos vystymosi analizę. „Mes sugebėjome įrodyti, kad kiaulės daug labiau primena žmones nei pelės vystymosi tempu, molekulinės kontrolės mechanizmais ir genų reguliavimu“, – aiškina Lickertas.
Unikali duomenų bazė
Žvilgsnis į detales: Tyrėjai ištyrė daugiau nei 120 000 kiaulių kasos ląstelių. Ląstelės buvo gautos iš visų trijų kiaulių nėštumo etapų, kurie trunka 114 dienų. Naudodama didelės skiriamosios gebos vienos ląstelės RNR sekos nustatymo ir daugiafunkcinius metodus, komanda sugebėjo tiksliai nustatyti vystymosi etapus ir ląstelių tipus.
Kiaulių ir ankstyvųjų žmogaus vystymosi stadijų palyginimas rodo, kad kiaulės yra labai panašios į žmones vystymosi tempu, epigenetiniu ir genetiniu reguliavimu bei genų reguliavimo tinklais. Tai taip pat taikoma progenitorinių ląstelių vystymuisi ir hormonus gaminančių ląstelių susidarymui.
Ypač pažymėtina, kad daugiau nei pusė transkripcijos faktorių, kuriuos reguliuoja neurogenino-3 (NEUROG3) genas – pagrindinis hormonus gaminančių ląstelių vystymosi reguliatorius – yra identiški kiaulėms ir žmonėms. Daugelis šių veiksnių anksčiau buvo sėkmingai patvirtinti žmogaus kamieninių ląstelių modeliuose. Tai apima pagrindinius genų transkripcijos faktorius, tokius kaip PDX1, NKX6-1 arba PAX6, kurie yra labai svarbūs genų reguliavimui ir beta ląstelių formavimuisi.
NEUROG3 vaidina pagrindinį vaidmenį vystant kasą. Jis veikia kaip „pagrindinis jungiklis“, koduojantis transkripcijos faktorių, kuris yra baltymas, galintis specifiškai suaktyvinti kitus genus ir taip daryti didelę įtaką ląstelių vystymuisi.
Aptikta nauja ląstelių populiacija
Kitas svarbus atradimas: Kiaulių ir žmonių embriono vystymosi metu atsiranda speciali ląstelių grupė – pradinė endokrininė ląstelė (PEC). PEC gali diferencijuotis į hormonus gaminančias salelių ląsteles.
„Šie PEC gali būti alternatyvus šaltinis insuliną gaminančių beta ląstelių regeneracijai, kurios gali būti sukurtos net be pagrindinio faktoriaus neurogenino-3”, – sako Lickertas. „Tai galėtų paaiškinti, kodėl pacientams, sergantiems retomis NEUROG3 mutacijomis, vis dar vystosi funkcinės beta ląstelės. Šios žinios yra būtinos norint atkurti beta ląsteles diabetu sergantiems žmonėms kaip priežastinį gydymą ateityje.”
Evoliuciškai konservuoti mechanizmai
Tyrėjai atskleidė pelių modelių skirtumus. Pavyzdžiui, transkripcijos faktorių MAFA, kuris reguliuoja beta ląstelių brendimą, kiaulių beta ląstelės jau ekspresuoja embriono vystymosi metu, tačiau jo nėra pelių beta ląstelėse. MAFA yra būtinas žmogaus funkcinei insulino gamybai. Žmogaus beta ląstelėse šis faktorius reguliuoja galutinį brendimą iki fenotipo, kuris yra jautrus gliukozei – pagrindinė cukraus kiekio kraujyje reguliavimo sąlyga.
„Mūsų rezultatai rodo, kurie genų reguliavimo tinklai yra evoliuciškai išsaugoti, o kurie būdingi rūšiai“, – komentuoja Lickertas. „Tik tada, kai galėsime nustatyti šiuos skirtumus, bus galima pagerinti diabeto gyvūnų modelius, kad jie iš tikrųjų atspindėtų žmones.
Be PEC, mokslininkai taip pat atrado du kiaulių beta ląstelių potipius, turinčius skirtingas genų programas. „Mūsų atradimas apie ankstyvą beta ląstelių heterogeniškumą yra ypač svarbus: tai gali padėti mums suprasti, kodėl kai kurios beta ląstelės išgyvena ligas, o kitos – ne”, – teigia Lickertas.
Aktualumas regeneracinei medicinai
Tačiau šių išvadų reikšmė yra daug daugiau nei pagrindiniai tyrimai. Jie taip pat atveria ateities gydymo perspektyvas.
Iki šiol stabilių ir funkciškai brandžių beta ląstelių generavimas iš kamieninių ląstelių laboratorijoje buvo pagrindinė regeneracinės medicinos kliūtis. Naujos įžvalgos, gautos iš evoliucinio kasos organogenezės palyginimo, galėtų padėti geriau suprasti vystymosi programas ir sąmoningą jų reguliavimą, kad funkcionuojančios insuliną gaminančios ląstelės galėtų būti gautos iš pirmtakų ir kamieninių ląstelių būsimoms regeneracinėms terapijoms.
Ilgametis bendradarbiavimas – raktas į sėkmę
Ilgalaikis bendradarbiavimas mokslinių tyrimų srityje taip pat prisidėjo prie tyrimo sėkmės. Dėl to prof. Fabian Theis vadovaujama komanda galėjo naudoti mašininio mokymosi metodus ir dirbtinį intelektą, kad galėtų efektyviai išanalizuoti sudėtingus didelius biomedicininių tyrimų duomenų rinkinius ir padaryti juos tinkamus naudoti.
Ne mažiau svarbus buvo glaudus bendradarbiavimas su prof. Eckhard Wolf ir dr. Elisabeth Kemter iš Ludwig-Maximilians universiteto Miuncheno, asocijuoto DZD partnerio. LMU mokslininkai specializuojasi kiaulių diabeto modelių kūrime ir labai prisidėjo prie eksperimentinio tyrimo įgyvendinimo.