Ląstelių vidinio gyvenimo peripetijos – jos organelių sąveika, įvairių molekulių apykaita – pastaraisiais metais susilaukia vis didesnio tyrėjų dėmesio. Naudojamos universalios tyrimų platformos – laboratorijos ant lusto. Tai – galimybė pažvelgti į intymaus ląstelių gyvenimo aspektus.

Šeima taikliai vadinama visuomenės ląstele. Norint suprasti visuomenės patologijas, būtent šeimos santykių analizė gali daug ką paaiškinti. Tą pačią logiką verta taikyti ieškant įvairių susirgimų priežasčių.

Įsivaizduokime realybės šou, kurio objektas – ląstelės viduje vykstantys itin spartūs procesai. Slaptos kameros funkciją, stebint šias peripetijas, atlieka mokslininkų taip pat ir Lietuvoje kuriami nauji tyrimų metodai ir įrenginiai.

Bakterijos – kaip žmonės

Fizinių ir technologijos mokslų centro nanoinžinerijos skyriaus vadovas dr. Ramūnas Valiokas LRT televizijos laidoje „Mokslo ekspresas“ pasakoja, kad pastaraisiais metais gyvybės moksliose, fizikoje, chemijoje daug pasiekta naudojant itin mažas sistemas ir tūrius. „Įvairios naujos optinės medžiagos, cheminės sintezės galimybės mažose erdvėse leido sukurti naujas medžiagas. Tai – natūrali tendencija ir gyvybės moksluose, kadangi gyvųjų audinių dalys ląstelės turi mažesnes struktūras“, – teigia jis.

Derindami tarpusavyje įvairius mokslus ir taikydami įgytas žinias apie mažus tūrius, mikro ir nanostruktūras, mokslininkai kuria naujus tyrimų metodus ir aptinka naujų reiškinių. Kai kurie iš jų pateikia nemenkų staigmenų.

„Antai ląstelės biologijoje gauti tyrimų rezultatai rodo, kad mikroorganizmų genetinė įvairovė labai didelė. Bakterijos tam tikra prasme unikalios, kaip ir žmonės. Mūsų genomas tarsi tas pats, bet esame skirtingi – turime skirtingą akių, plaukų spalvą, būdo bruožus ir pan. Taip ir bakterijos yra unikalios. Ką reiškia šis unikalumas, sunku pasakyti. Tai liudija, kad vienos ląstelės genomikos, metabolomikos tyrimai gali būti labai svarbūs, siekiant suprasti įvairius patologinius procesus“, – aiškina R. Valiokas.

Puslaidininkių pramonės metodai tinka ne visur

Viena geriausiai žinomų sėkmės istorijų, susijusių su mikro ir nanomanipuliacijomis – puslaidininkių fizika. Puslaidininkių pramonė pasiekė milžinišką pažangą, mažindama tokių prietaisų kaip tranzistoriai matmenis.

Mokslininkai sukūrė išradingas technologijas iš jų sukomponuoti integrines schemas, mikrolustus, kurie dabar yra mus supančių elektronikos prietaisų širdis. Tačiau, norint gaminti panašaus dydžio prietaisus iš polimerinių medžiagų, biopolimerų, puslaidininkių pramonės sukurti metodai ne visiškai tinka.

„Puslaidininkinės medžiagos yra patvarios, puikiai veikia vakuume, jos gali būti konstruojamos, naudojant ultravioletinę spinduliuotę ir kitus agresyvius metodus. Tai visiškai netinka baltymams, lipdams ir kitoms biologinėms medžiagoms. Tada atsirado būtinybė kurti naujus medžiagų mikronanoinžinerijos metodus“, – tvirtina Fizinių ir technologijos mokslų centro nanoinžinerijos skyriaus vadovas.

Tokie mikronano formavimo metodai kol kas yra nišinė sritis. Laimė, kompiuterių gamybos kompanijos greitai pastebėjo, jog tai puiki galimybė praplėsti savo asortimentą, pasiūlant naujus bioanalitinius metodus medicinai, pavyzdžiui audinių inžinerijai.

„Tyrėjai susidomėjo galimybe kurti naujus metodus, konstruoti hibridines struktūras ir gyvuosius gamtos elementus, dirbtines medžiagas. Mūsų laboratorija yra viena iš tokių, kur kuriami tie nauji metodai“, – teigia R. Valiokas.

Stebi tarsi realybės šou

Specialistas vadovauja Fizinių ir technologijos mokslų centro nanoinžinerijos skyriui. Pavadinime užkoduota tai, kad tirdami mažus biologinės kilmės ar sintetinės medžiagos kiekius, mokslininkai ne tik analizuoja metalų nanodalelių, tvarkiųjų organinių struktūrų bei grafeno savybes, bet ir patys gamina naujo tipo darinius, išbando juos jutiklių ląstelių arba audinių inžinerijos srityje.

„Mūsų laboratorijos tikslas – tyrinėti mažas struktūras, kurių savybės įdomios ląstelės pažinimui. Taip gimė idėja sukurti jutiklius vienos ląstelės metabolizmo stebėjimui. Pavienės ląstelės įdomios tuo, kad jas izoliavus, galima tirti įvairius fundamentinius reiškinius labai kompaktiškoje aplinkoje. Eliminuoti pašalinius veiksnius, norint suprasti vieną ar kitą ląstelės gyvybinį procesą“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja R. Valiokas.

Pastarųjų keliolikos metų rezultatai ląstelių medžiagų apykaitos tyrimo srityje liudija, kad pavienės ląstelės elgiasi gana skirtingai. Todėl sunku tyrinėti, kaip metabolitai iš vienos ląstelės migruoja į kitą. O tai svarbu siekiant suprasti, kaip vystosi arba atsinaujina nervinis audinys, kokiais būdais neuronai bendrauja tarpusavyje, kaip diferencijuojasi kamieninės ląstelės ir formuojasi audiniai. Mokslininkams trūksta fizikinių įrankių, leidžiančių tirti vienos ląstelės arba jos aplinkos metabolinį aktyvumą.

„Bendraujant su partneriais Šveicarijoje, kilo idėja sukurti naujo tipo įrenginį – jutiklį, skirtą registruoti vienos ląstelės metabolinį aktyvumą, – sako R. Valiokas. – Tas jutiklis kuriamas dvejopai, pasitelkiant dvi skirtingas technologijas. Visų pirma, naudojama baltymų inžinerijos ir chemijos inžinerijos technologija, kuriant fluorescuojančius jutiklius. Mažas molekules, kurios įterpiamos į ląstelę ir tuomet keičia savo spalvą dėl joje vykstančių metabolinių reiškinių. Kita vertus, mes sugebame tokias miniatiūrines daleles, tas molekules jaučiančias metabolito buvimą artimoje aplinkoje, patalpinti iškart už ląstelės ribų.“

Bendro Lietuvos ir Šveicarijos mokslininkų projekto „Metasens“ tikslas – sukurti vienos ląstelės tyrimų platformą, kuri būtų naudojama nustatyti tam tikroms molekulėms, dalyvaujančioms viduląsteliniuose ir tarpląsteliniuose procesuose. Pavyzdžiui, tirti signalų perdavimą neurotransmiterinėmis medžiagomis, gyvybinių ląstelės medžiagų sintezę ir pan. Ši nauja technologija leistų stebėti gyvas ląsteles beveik natūralioje aplinkoje.

Mokslininkai sukūrė specialią platformą, imituojančią ląstelių natūralią aplinką. Ji sudaryta iš vienos ląstelės prisijungimo zonos, pagamintos iš baltymų, ir joje paslėptų jutiklių, galinčių jausti ieškomų molekulių (metabolitų) gamybą bei išskyrimą.

Ląstelė, prilipusi ant tokios platformos, jai paruoštoje nusileidimo aikštelėje it malūnsparnis, stebima didelės skyros mikroskopu, didinančiu 1000 kartų. Specialiai parengtoms mažoms molekulėms, tarsi slaptiesiems agentams, patekus į ląstelę ir sąveikaujant su vietos molekulėmis ar organelėmis, mikroskopas iš karto fiksuoja švytėjimo pokyčius. Tai – labai patogus ir jautrus būdas nustatyti, kas ten vyksta. Be to, tyrėjai naudoja ir tokius modernius stebėsenos metodus, kaip skenuojančio zondo mikroskopija arba plazmonų rezonansas. Didysis brolis įdėmiai stebi mažąsias ląsteles.

„Tai iš tiesų yra tam tikras realybės šou. Stebimas vienos ar kitos ląstelės gyvybinis ciklas. Panašius tyrimus atlieka mūsų kolega ir bičiulis Ramūnas Stepanauskas, gyvenantis JAV. Jis sukūrė metodus, leidžiančius žvalgyti vienos ląstelės genominį unikalumą. Manau, kad turime galimybę parodyti, jog Lietuvoje tokie tyrimai irgi gali būti daromi“, – viliasi R. Valiokas.

Išmokus registruoti pavienių ląstelių medžiagų apykaitos (t.y. metabolizmo) pokyčius, šie pokyčiai bei įvairūs metaboliniai signalo sklidimo kanalai gali būti valdomi vaistais. Todėl planuojama, naudojant šį metodą, išbandyti įvairius naujus vaistus, stebint kaip jie keičia ląstelės būseną, jos gyvybinius procesus.

„Toliau tyrimai darosi vis sudėtingesni, atliekant tyrimus audiniuose. Galima stebėti bendrą daugelio ląstelių sąveiką. Įvertinti, kaip vienas ar kitas vaistas veikia audinio savybes ir ligos progresavimą audiniuose. Parengiamasis darbas ląstelėse svarbus praktiškai, kadangi būtina išbandyti vieną ar kitą medžiagą ankstyvoje tyrimų stadijoje, suprasti jos veikimo mechanizmą pavienių ląstelių lygmenyje“, – sako specialistas.

Lietuviai neatsilieka

Daugybė ląstelių mechaninių savybių tyrimų jau atlikta. Kaip yra žinoma, ląstelės gana patvarus objektas. Dauguma jų turi savotišką skeletą. Tai – tam tikros baltyminės struktūros, palaikančios ląstelės formą. Jos taip pat lemia ląstelės judėjimą.

„Buvo atlikta tyrimų, bandant suprasti ląstelės citoskeleto konstrukcines savybes, įvertinti jo pokyčius, esant vienai ar kitai ląstelės ciklo stadijai. Ląstelei reaguojant į įvairius vaistus. Šioje srityje daug tyrimų buvo atlikta, panaudojant jėgų atominės mikroskopijos technologiją“, – „Mokslo ekspresui“ vardija Fizinių ir technologijos mokslų centro nanoinžinerijos skyriaus vadovas.

Šioje tyrimų srityje daug nuveikusios yra vokiečių ir šveicarų mokslininkų grupės. Na, o kalbant apie ląstelių biocheminį aktyvumo ir signalo sklidimo reiškinių tyrimus, darbus šiose srityse anksčiau pradėjo grupės JAV.

„Kalbant apie naujus metodus, panaudojama mikronanostruktūrų sritis. Ši sritis yra žymiai naujesnė. Nėra daug grupių, kurios turėtų technologijas konstruoti karkasus arba parkavimo aikšteles pavienėms ląstelėms. Mums džiugu, kad turime šį privalumą. Bendrus tyrimus atliekame su mokslo centrais Lozanoje, Heidelberge, Švedijos mokslininkų grupėmis“, – pasakoja R. Valiokas.

Per pastarąjį dešimtmetį Lietuvos mokslininkai aktyviai bendradarbiauja su ląstelės biologijos ir audinių inžinerijos tyrimų grupėmis įvairiose pasaulio šalyse, sėkmingai taikydami tyrimų rezultatus praktikoje. Antai kuriant audinių inžinerijos ir audinių tyrimų sistemas.

„Tikimės, kad ir pavienių ląstelių analizės srityje mūsų tyrimai bus pritaikyti, visų pirma, naujų vaistinių medžiagų testavimui. Galima tokius jutiklius jungti į grupes, kurti lustus, kur vienu metu stebimas naujų medžiagų toksinis poveikis. Sintetinant naujas vaistines medžiagas, reikalaujama išbandyti jų toksinį poveikį. Mūsų sukurti lustai ras vietą tokio tipo sistemų kūrime. Ir įvairiuose farmacijos pramonės tyrimuose“, – džiaugiasi specialistas.

Tik žingsnis iki revoliucinių sistemų

Nors laboratorijų ant lusto asortimentas kol kas nedidelis, vis daugiau tyrėjų arba farmacijos kompanijų įsitikina, koks tai efektyvus instrumentas. Tokias mikrolaboratorijas galima naudoti, atliekant naujai susintetintų junginių cheminę analizę, aplinkos stebėsenoje, medicinos diagnostikoje, taip pat ir sintetinėje chemijoje – atrenkant perspektyvius junginius. Tačiau nanoinžinerijos specialistai planuoja kurti dar sudėtingesnes sistemas.

„Mūsų nanoinžineriniai ir mikroformavimo metodai jau derinami su biosintetinių, hidrogelio tipo medžiagų gamyba, kurios savyje turi daug vandens. Bet atsiveria galimybės derinti šias technologijas toliau, taip pat su kamieninių ląstelių technologijomis, kurios vystosi kaip stipri šiuolaikinių tyrimų sritis. Apjungus tas sritis, galima pastebėti visiškai naujas galimybes“, – priduria R. Valiokas.

Nuo čia jau netoli iki tokių sistemų, kaip organai ant lusto. Paprastesni audinių ant lusto modeliai – kepenų arba odos ląstelių, jau prieš kelerius metus sėkmingai įdiegti medicinos praktikoje. 2012 metais JAV vyriausybė skyrė 140 mln. dolerių dešimties modelinių organų rinkiniui sukurti, kurie išliktų gyvybingi mėnesį ir, kaip „lego“ detalės, galėtų būti komplektuojami pagal analizės poreikį.

Kodėl šie organų ant lusto modeliai tokie paklausūs? Jie leidžia kur kas tiksliau įvertinti naujų vaistų poveikį. Pavyzdžiui, naudojant „kvėpuojančio“ plaučio ant lusto modelį, buvo tikrinamas priešvėžinis preparatas interleukinas 2. Paaiškėjo, jog jis sukelia plaučių edemą. Tačiau naudojant Petri lėkštelėje išaugintas nekvėpuojančias plaučių ląsteles, šis pavojingas šalutinis poveikis buvo beveik nepastebimas. Taigi turint tokius modelius, galima patikimiau aptikti vaistines medžiagas. Taip pat lyginti skirtingų mokslinių laboratorijų duomenis.