Nowy typ komórek dróg oddechowych nadzieją w chorobach pulmonologicznych

0

Podczas specjalizacji, poszczególne komórki tworzą różne typy komórek dróg oddechowych, proces, który może obejmować okres niepewności, chociaż są one pozornie zakodowane do rozwijania konkretnych komórek dróg oddechowych . Ta niepewność pomaga komórkom specjalizować się, ale także reagować na ciągle zmieniające się środowisko.

Są to ustalenia przedstawione przez międzynarodowy zespół badaczy kierowany przez Kedara Natarajana, profesora nadzwyczajnego w DTU, opublikowane w “Science Advances”.

“To odkrycie może być potencjalnie dobrą wiadomością dla pacjentów z dysregulacją funkcjonalności komórek dróg oddechowych, w tym w astmie, POChP i mukowiscydozie” – mówi Kedar Natarajan.

Człowiek składa się z trylionów komórek, złożonych z kilku typów komórek pełniących wyspecjalizowane role w narządach. To, jak te typy komórek, a zwłaszcza wyspecjalizowane komórki w drogach oddechowych, powstające we wczesnej fazie rozwoju embrionalnego, jest interesujące w przypadku chorób przewlekłych i możliwych terapii.

Naukowcy wykorzystali najnowocześniejsze technologie, jak również sekwencjonowanie i metody obliczeniowe, aby zrozumieć proces, w jaki te typy komórek powstają we wczesnej fazie embrionalnej i znaleźli dowody na niestandardowy model, w którym komórki w ciągły niehierarchiczny sposób podejmują decyzje.

“Nasza analiza czasowa rozwoju embrionalnego wychwytuje nową populację progenitorową, tj. populację komórek macierzystych w nabłonku dróg oddechowych, składającego się z różnych typów komórek, takich jak komórki podstawne, jonocyty i komórki kubkowe. Ta populacja progenitorowa pojawia się znacznie wcześniej niż oczekiwano i przyczynia się do powstania wszystkich głównych typów komórek, podkreślając kluczową rolę heterogenności komórkowej przed zaangażowaniem się w specjalizację. Oznacza to, że decyzja dotycząca specjalizacji niektórych typów komórek jest podejmowana na długo przed tym, zanim możemy ją zobaczyć” – mówi Kedar Natarajan.


Przewlekłe choroby układu oddechowego są głównym zabójcą na świecie

Naukowcy badali specyficzny typ komórek progenitorowych z tkanki w drogach oddechowych, tzw. nabłonka oddechowego. Mechanizmy molekularne umożliwiające specjalizację komórek w czasie rozwoju nabłonka oddechowego były do tej pory stosunkowo słabo zbadane.

Różne typy komórek zapewniają naturalną odporność i usuwają patogeny, kurz i inne cząstki z dróg oddechowych, utrzymując optymalny poziom osmotyczny, jonowy i kwasowo-zasadowy. Tworzenie i funkcjonowanie wyspecjalizowanych komórek jest zaburzone u osób, które cierpią na choroby układu oddechowego, takie jak astma, mukowiscydoza, pierwotna dyskineza rzęsek i POChP. Te przewlekłe choroby można dziś łagodzić, opóźniać rozwój, ale wciąż nie ma na nie lekarstwa.

Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), problemy z oddychaniem są odpowiedzialne za około 15 procent wszystkich zgonów. Należą do nich takie choroby jak astma i POChP, ale także rak, zapalenie płuc i mukowiscydoza. WHO szacuje, że na samą astmę choruje 339 milionów ludzi na całym świecie.

“Aby zrozumieć, co się dzieje, gdy pojawiają się przewlekłe choroby układu oddechowego, musimy mieć lepszy obraz wszystkich stanów, przez które przechodzi komórka, zwłaszcza na wczesnych etapach tworzenia się typu komórki. Często badamy, co dzieje się z komórką po jej zepsuciu, a następnie próbujemy ją naprawić. Powinniśmy również badać, jak powstaje komórka, aby lepiej zrozumieć, jak ulega uszkodzeniu. Komórki organizmu odnawiają się przez cały czas, więc kiedy wiemy, jak można wpływać na decyzję komórki po drodze, wiedza ta może pomóc otworzyć nowe drzwi do tego, jak leczymy choroby takie jak astma czy POChP” – wyjaśnia Kedar Natarajan.

“Nasza praca zapewnia wgląd w zmiany stanu komórek, które zachodzą podczas rozwoju tkanki śluzowej. Pomaga zrozumieć mechanizmy zaangażowane podczas tworzenia się tkanki. A ta wiedza może być przydatna na przykład w opracowywaniu terapii regeneracyjnych dla przewlekłych chorób płuc” – mówi.


Sensowny system utrzymuje płuca w czystości

Tkanka dróg oddechowych składa się ze złożonego systemu komórek pełniących kilka stałych funkcji. System ten nazywany jest zbiorczo nabłonkiem śluzowo-rzęskowym. Mucus oznacza śluz i jest to łacińska nazwa śluzu, który pokrywa i chroni błonę śluzową. Cilia to drobne rzęski, które pokrywają błonę śluzową, a nabłonek to termin określający komórki pokrywające wewnętrzne i zewnętrzne powierzchnie ciała.

Różne komórki w nabłonku oddechowym pełnią cztery centralne funkcje, które razem umożliwiają funkcjonowanie i ochronę dróg oddechowych. Komórki wytwarzające śluz tworzą barierę ochronną przed patogenami, zanieczyszczeniami i bakteriami, podczas gdy komórki rzęskowe oddziałują na śluz i napędzają przepływ i usuwanie uwięzionych cząstek poprzez skoordynowane ruchy. Komórki regulujące poziom jonów są potrzebne do utrzymania poziomu osmotycznego, jonowego i kwasowo-zasadowego, podczas gdy komórki podstawne mogą uzupełniać wymagane typy komórek w kierunku normalnego funkcjonowania po uszkodzeniu.

Wszystkie pochodzą z tego samego typu komórek, przeznaczonych do rozwinięcia się w komórki tworzące nabłonek oddechowy. W trakcie procesu rozwoju komórki przechodzą różne fazy, tworząc wszystkie główne typy komórek. Jednak etapy neuruli i odpowiednie podziały komórkowe określają, w jaki sposób komórki przekształcają się z czasem w cztery wyspecjalizowane typy komórek nabłonka oddechowego.


Dlaczego po drodze może się to nie udać?

Razem, komórki te zapewniają, że możesz oddychać bez blokowania lub uszkadzania dróg oddechowych przez np. kurz znajdujący się we wdychanym powietrzu. W chorobach układu oddechowego komórki zostają “wykolejone” w swoim rozwoju i funkcjonują nieprawidłowo.

“Musimy zrozumieć, co dzieje się w pojedynczej komórce na różnych etapach rozwoju tkanki – tzn. czy istnieją dyskretne etapy, w których dochodzi do różnicowania, czy jest ono przypadkowe? Jeśli zrozumiemy, w jaki sposób komórki podejmują te decyzje dotyczące swojego losu, możemy między innymi naprawić błędy w funkcjonowaniu, które mogą rozwinąć się po drodze” – mówi Kedar Natarajan.

Defekty w funkcjonowaniu typów komórek prowadzą do rozwinięcia objawów typowych dla osób cierpiących np. na astmę, POChP i mukowiscydozę. Sprawia to, że drogi oddechowe są bardziej podatne na infekcje i choroby oraz osłabienie.


Przemiany komórek badano u żab

Za punkt wyjścia badacze wzięli komórki śluzówki żaby Xenopus laevis (Platana szponiasta). Rozwój  zarodka żaby jest podobny do rozwoju komórek nabłonka oddechowego u ludzi. Różnica polega na tym, że w komórkach pluripotencjalnych łatwiej jest wyróżnić cztery kierunki, w których rozwijają się komórki.

Naukowcy zmapowali rozwój każdej komórki na dziesięciu różnych etapach rozwojowych, począwszy od komórek niezróżnicowanych (etap 8) aż do komórek zróżnicowanych (etap 27), w których powstają główne typy komórek dla określonych funkcji. Interpretacja tego, jak komórki różnicują się na wszystkich etapach, przypomina zrozumienie bardzo rozbudowanego drzewa genealogicznego, analizującego to, co różni się z pokolenia na pokolenie.

W sumie badacze zbadali około 35 000 komórek. Badacze zadowolili się badaniem zmian, które zachodzą między poszczególnymi etapami, i dlatego starannie ocenili około 3000 genów dla każdej z komórek. To spowodowało ogromne ilości danych, które uświadomiły badaczom, że niektóre z komórek przechodzą przez wcześniej nieznany stan (nazywany “wczesnymi komórkami progenitorowymi nabłonka”) i podlegają specjalizacji w odrębny sposób.

 

Źródło: Science Advances

DOI: 10.1126/sciadv.add5745

Zostaw odpowiedź

Twoj adres e-mail nie bedzie opublikowany.


The reCAPTCHA verification period has expired. Please reload the page.