Alfa-1-antitripsinas yra vadinamasis proteazės inhibitorius, fermento inhibitoriaus rūšis. Jis gaminamas kepenyse, tačiau daro savo poveikį plaučiuose, kur jis reguliuoja imuninių ląstelių aktyvumą. Šis reguliavimas yra labai svarbus, o hiperaktyvus imuninis atsakas gali sukelti sunkias plaučių ligas.
Tačiau kai kurie asmenys turi genetinę mutaciją, dėl kurios alfa-1 baltymas yra neteisingai sulankstomas. Dėl to susidaro per mažai funkcinio alfa-1, o nepakankami kiekiai pasiekia plaučius.
Mutacija paveldima iš vieno ar abiejų tėvų. Maždaug 1 iš 20 Europos žmonių turi heterozigotinę mutacijos formą – nuo vieno iš vieno iš tėvų – dažnai nėra simptomų ar tik švelnių. Priešingai, retesnė homozigotinė forma, paveldėta iš abiejų tėvų, paveikia maždaug 1 iš 2 000 asmenų ir yra daug sunkesnė.
Šiems pacientams kyla didesnė ne tik plaučių ligos, tokios kaip lėtinė obstrukcinė plaučių liga (LOPL), bet ir kepenų komplikacijų, įskaitant sunkią fibrozę ar net navikus, rizika.
Viena mutacija, skirtingi keliai
Tarptautinė tyrimų komanda, vadovaujama Matthiaso Manno Maxo Plancko biochemijos institute Martinsriede, netoli Miuncheno, dabar atskleidė svarbias naujas įžvalgas apie homozigotinę būklės formą. Išvados skelbiamos žurnale Prigimtis.
Pirmasis autorius Florianas Rosenbergeris, iš Proteomikos ir signalo transdukcijos departamento, paaiškina: „Homozigotinėje formoje išsiskiria kažkas ryškaus. Tai yra monogenetinė liga, tai reiškia, kad visi pacientai turi tą pačią mutaciją – taigi teoriškai ligos progresavimas turėtų būti vienodas. Bet tai nėra tai, ką mes matome.
„Trečdaliui pacientų išsivysto sunki kepenų fibrozė, kai jungiamojo audinio kaupiasi ir kaupiasi kepenų funkcija. Tačiau du trečdaliai išlieka sveiki. Mes norėjome suprasti, kodėl taip yra. Kokie molekuliniai mechanizmai apsaugo kai kuriuos pacientus, o kiti serga liga?”
Komanda naudojo techniką, vadinamą „Deep Vizualine proteomika“, kartu sukūrė Matthias Mann proteomikos tyrimų grupes Martinsriede ir Kopenhagoje. Šis metodas taiko pažangią proteomų analizę, kad nustatytų ligos mechanizmus. Atliekant alfa-1 tyrimą, buvo išanalizuoti pacientų kepenų audinių mėginiai iš Vokietijos ir Danijos.
„Mes ištyrėme audinius visame ligos etapų spektre“, – tęsia Rosenbergeris. „Net ankstyvose stadijose – kai klinikiniai požymiai dar nepasirodė, mes galime pastebėti, kaip kūnas kai kuriais atvejais sėkmingai sustabdė ligos progresavimą.”
Savo analizei tyrėjai panaudojo konvoliucinį nervų tinklą (CNN) – dirbtinio intelekto formą, iš pradžių išmokytą atpažinti veidus ir kasdienius objektus vaizduose.
Subtilūs skirtumai su dideliu poveikiu
CNN taip pat įspūdingai atliko žmogaus kepenų audinio vaizdus. Jis sugebėjo atskirti subtilius struktūrinius ligos pokyčius, ypač kaip alfa-1 baltymų agregatai kepenų ląstelėse (hepatocituose). Šie agregatai yra ligos atsiradimo požymis. „Mūsų CNN galėtų nustatyti ypač puikius bendros morfologijos skirtumus“, – sako Rosenbergeris.
Išėjo dvi skirtingos formos: į trupinius panašūs agregatai su grubia, netaisyklinga struktūra ir rutuliais panašios agregatai, kurių išvaizda yra labiau apibrėžta. Tai iškėlė pagrindinį klausimą: koks lemia, kuris tipas pasirodo – ar jie atsitiktinai ar biologiškai reikšmingi?
Čia komanda padarė proveržį. Jie sėkmingai rekonstravo molekulinių įvykių seką – trupinių, rutulių ir perėjimų tarp jų susidarymą – ir nustatė jų laiko tvarką.
Į trupinius panašūs agregatai pasirodė pirmiausia kaip ankstyvas streso ląstelių atsakas. Tai buvo susijusi su veikla specialiuose ląstelių skyriuose, vadinamuose peroksisomomis. Į rutulius panašūs užpildai atsirado vėliau, labiau pažengusioje fibrozės etape.
Įdomu tai, kad agregato rūšis ne visada koreliavo su ligos sunkumu. Net pacientai, sergantys tik lengvą fibrozę, galėtų parodyti pažengusią rutulį panašią morfologiją. „Pagrindinis atradimas buvo perėjimas nuo trupinių prie rutulių“, – aiškina Rosenbergeris. „Tai atskleidžia kompensacinių atsakų seką kepenų ląstelės, kuriose stengiamasi kovoti su agreguojamu susidarymu – ir kartu su ja – kepenų fibroze”.
Klinikinių taikymo srityse
Patobulinta AI pagrįsta vaizdo analizė vaidino pagrindinį vaidmenį atskleidžiant šiuos mechanizmus. „Naujausi technologiniai masinių spektrometrijos pažanga buvo labai svarbūs“, – sako profesorius Mannas. „Dabar galime atlikti vienos ląstelės matavimus, leisdami mums išgauti išsamią molekulinę informaciją iš tik nedidelio audinio kiekio-net iš atskirų sergančių kepenų ląstelių.”
Tyrimo išvados netrukus gali turėti klinikinę reikšmę. Galima išvengti fibrozės vystymosi asmenims, sergantiems homozigotine mutacija.
„Peržiūrėdami pacientų istoriją, pamatėme, kad tiems, kuriems yra sunki fibrozė, trūko ankstyvo peroksisominio atsako“, – sako Rosenbergeris. „Dabar mes žinome, kad šis atsakas yra apsauginis. Mūsų tikslas yra sukurti ankstyvą įspėjimo apie kepenų fibrozę sistemą – būdą nustatyti pacientus, kuriems gresia rizika, kol atsiranda simptomai.”
Pietų Danijos universiteto profesorius Aleksandras Kragas ir Odense kepenų tyrimų centro vadovas pabrėžia: „Fiksuodami alfa-1 antitripsino kaupimąsi vienaląsčių lygiu, mes atskleidėme ankstyvuosius molekulinius suaktyvinimo priemones, kaip alfa-1 antripsino trūkumas progresuoja.
Pavelas Strnadas, Hepatologas iš Acheno universiteto ligoninės ir ilgalaikio projekto bendradarbio, priduria: „Klaidingas baltymų sulankstymas yra svarbiausias daugelio žmonių ligų, įskaitant Parkinsono ir Alzheimerio ligas. Studijuodamas monogeninę būklę, tokią kaip Alpha-1 antripsino trūkumas.
„Šis darbas gilina mūsų įžvalgą apie baltymų sulankstymo sutrikimus ir jų pasekmes. Bus svarbus net ir ne tik alfa-1 antitripsino trūkumas.”