Atlas človeških celic: Tako raznovrstne, kot smo raznovrstni ljudje

Nekoč smo nove celice odkrivali s preprostim mikroskopom, ki v bistvu ni bil nič drugega kot malo boljše povečevalno steklo. Na tak način je Antonie van Leeuwenhoek leta 1677 odkril spermije. Danes do takih odkritij prihajamo s pomočjo analiz na računalniških ekranih. Izvajanje tovrstnih raziskav je izredno težavno tako zaradi znanosti kot zaradi velikega števila ljudi, ki sodelujejo pri njih. Toda njihovi rezultati so izjemni. To se je denimo zgodilo tedaj, ko se je konzorcij 29 znanstvenikov odločil raziskati, katere vrste celic sestavljajo sluznico sapnika, pa je pri tem naletel na novo vrsto celice, zaradi katere se utegne spremeniti naše razumevanje in zdravljenje cistične fibroze.

Znanstveniki, ki jih je vodila Aviv Regev, strokovnjakinja za računalniško in sistemsko biologijo z Inštituta Broad v okviru univerz MIT in Harvard, so te celice prvič opazili, ko so pregledovali izsledke analize 300 celic iz sapnika miši. Takoj se jim je zazdelo, da tri celice niso podobne nobeni že znani vrsti celic. Če bi bili samo dve, bi ju morda imeli za posledico šuma v podatkih. Toda tri nenavadne celice so zahtevale dodatno pozornost.

Znanstveniki so jih šaljivo poimenovali "vroče celice". Eksperiment so ponovili še nekajkrat in kmalu je postalo jasno, da so res odkrili novo vrsto celice sapnika.

Vroče celice

Nato se je izkazalo, da je do enakega odkritja prišla tudi ekipa ameriških in švicarskih znanstvenikov. Ekipi sta to po naključju odkrili na nekem seminarju leta 2017. "To je bil eden tistih čudovitih trenutkov v znanosti, ko dve ekipi znanstvenikov vsaka posebej prideta do enakega rezultata," se spominja Moshe Biton, član ekipe z Inštituta Broad.

Obe skupini sta potrdili, da nova vrsta celic obstaja v dihalih miši in tudi ljudi. Do tedaj jih niso opazili, ker so tako redke - pomenijo namreč samo okoli odstotek vseh celic v dihalih. A to še ne pomeni, da niso pomembne. Ko so znanstveniki podrobneje proučili, zakaj so tokrat postali pozorni nanje, so odkrili nekaj osupljivega.

Izkazalo se je, da je eden od genov, ki so aktivni v teh na novo odkritih celicah, cistični fibrozni transmembranski regulator prevodnosti (CFTR). S tem odkritjem je njihova raziskava dobila popolnoma nov pomen, saj mutacije v tem genu povzročajo cistično fibrozo.

Kako natančno podedovana disfunkcionalna različica gena CFTR vpliva na razvoj te bolezni, je skrivnost, odkar so znanstveniki leta 1989 odkrili to povezavo. Cistična fibroza je zapletena bolezen, ki se običajno pokaže že v otroštvu. Med njenimi simptomi so pogoste okužbe spodnjih dihal, kot sta bronhitis in pljučnica ter težko in piskajoče dihanje. Trenutno je mogoče le blažiti simptome bolezni, medtem ko pravega zdravila zanjo še ni.

Toda zdaj kaže, da bi lahko bolje razumeli vzroke za nastanek te bolezni, če bi ugotovili, kakšna je vloga na novo odkritih celic in kaj se z njimi zgodi, če je gen CFTR okvarjen. Znanstveniki že izvajajo raziskave na tem področju.

Na podlagi tega odkritja ter izsledkov drugih raziskav, pri katerih so bile uporabljene podobne metode, se je okrepilo prepričanje, da se naše razumevanje celic telesa spreminja predvsem po zaslugi povezovanja znanj s področja biologije in računalništva. In prav to je razlog, da lahko v prihodnosti pričakujemo še bolj prelomna odkritja.

Raznovrstnost človeških celic

Vsaka od približno 37 trilijonov celic v našem telesu je do neke mere edinstvena. Vrste celic so odvisne od določenih beljakovin, ki jih vsebujejo. Tako na primer samo rdeče krvne celice vsebujejo hemoglobin, nevroni pa različne beljakovine iz imunskih celic. Niti dve celici v našem telesu ne vsebujeta popolnoma enake količine vsake beljakovine.

Imunski sistem je še posebno zapleten. Sestavlja ga veliko vrst celic, razvrščenih v kategorije glede na njihovo glavno funkcijo - celice T, celice B in tako naprej. Obstaja pa tudi nešteto komaj zaznavnih variacij celic T in B. Pravzaprav niti ne vemo, koliko različic sploh obstaja, toda če bi razumeli njihovo vlogo, bi bolje razumeli tudi svoj imunski sistem. Po zaslugi tega bi lahko zasnovali nova zdravila, s katerimi bi imunskemu sistemu pomagali, da bi se bolje boril na primer proti raku.

Imunske celice, ki jih pravkar preučuje ekipa raziskovalcev Univerze v Manchestru, se imenujejo naravne celice ubijalke. V vsaki kapljici krvi je približno tisoč teh imunskih celic, ki znajo zelo dobro zaznavati in ubijati druge celice, ki so postale rakave ali so bile okužene s kakšnim virusom. A tudi vse naravne celice ubijalke niso enake. Neka analiza je pokazala, da obstaja pri vsakem človeku več tisoč različic teh imunskih celic.

Leta 2020 smo v mojem raziskovalnem laboratoriju izvedli analizo, ki je pokazala, da je mogoče različne naravne celice ubijalke v krvi razvrstiti v osem kategorij. Čeprav njihovih vlog v telesu še ne razumemo povsem, so nekatere med njimi verjetno bolj spretne pri napadanju določenih vrst virusov, medtem ko so druge uspešnejše pri zaznavanju raka.

Druge vrste imunskih celic se lahko še bolj razlikujejo med seboj. Naše celice so očitno tako raznovrstne, kot smo raznovrstni ljudje. Zato je izjemno pomembno, da razumemo, kako tako kompleksne populacije celic delujejo skupaj (v tem primeru pri obrambi proti bolezni).

Atlas človeških celic

Oktobra 2016 sta Aviv Regev in Sarah Teichmann iz Inštituta Wellcome Sanger v Londonu organizirali srečanje okoli sto vodilnih znanstvenikov z vsega sveta, da so razpravljali o tem, kako bi določili položaj vsake celice v človeškem telesu. Glavni cilj je bil izdelati neke vrste Googlov zemljevid človeškega telesa.

Leto pozneje so zasnovali načrt, v okviru katerega bi najprej poskušali opisati sto milijonov celic iz različnih sistemov in organov različnih ljudi z vsega sveta. Do danes se je konzorciju pridružilo že tisoče znanstvenikov iz več kot 70 držav z vseh celin.

Ta novi načrt je pravzaprav nadaljevanje projekta Človeški genom. Potem ko so sekvencirali vse človeške gene v vsaki človeški celici, so lahko znanstveniki številne genetske variacije povezali z večjo dovzetnostjo za določene bolezni. Toda genetske bolezni se pokažejo v specifičnih celicah, v katerih je običajno prisoten ta gen. To pomeni, da analiza genov sama ne zadostuje. Vedeti moramo torej tudi, kje v telesu se geni, ki povzročajo bolezni, aktivirajo.

Atlas človeških celic bi omogočil premostitev vrzeli med abstraktnimi genetskimi kodi in fizikalnostjo človeškega telesa. Kako pomembno je to, smo se lahko prepričali, ko so znanstveniki v novi, redki celici odkrili gen za cistično fibrozo. Drugi primer je denimo nosečnost.

Razkrivanje skrivnosti nosečnosti

Že vrsto let vemo, da sta imunski sistem in nosečnost tesno povezana. Pri ženskah, ki imajo za seboj tri splave ali več, so določene kombinacije genov imunskega sistema prisotne pogosteje, da bi lahko to imeli za naključje. Za zadaj sicer še ne vemo, zakaj, toda če bi vedeli, bi morda lahko rešili marsikatero težavo z nosečnostjo.

Znanstveniki so analizirali približno 70 tisoč celic iz posteljice (placente) in maternične sluznice žensk, ki so splavile med šestim in 14 tednom nosečnosti. Posteljica je organ, skozi katerega prehajajo hranila in dihalni plini od matere do otroka in obratno. Nekoč smo mislili, da je imunski sistem matere tam, kjer se posteljica oprijema maternične sluznice, preprosto izklopljen, zato da materine imunske celice posteljice in zarodka ne napadejo kot "tujka" (podobno kot neustrezni presadek), ker ima zarodek polovico očetovih genov. Toda pozneje se je izkazalo, da ta razlaga ni pravilna oziroma da je preveč preprosta.

Danes po zaslugi številnih eksperimentov vemo, da se aktivnost materinih imunskih celic v maternici med nosečnostjo nekoliko zmanjša, s čemer je preprečena imunska reakcija matere proti celicam zarodka, vendar imunski sistem tam ni izklopljen. Prej omenjene naravne celice ubijalke, sicer znane po tem, da uničujejo okužene ali rakave celice, igrajo v maternici popolnoma drugo, veliko bolj konstruktivno vlogo: pomagajo namreč tvoriti posteljico.

Analiza 70 tisoč celic je pokazala, da so pri gradnji posteljice pomembne tudi druge vrste imunskih celic. Toda za zdaj še ni jasno, kakšne naloge opravljajo. Znanstvenike je pri tej analizi celic vodila tudi Muzlifah Haiffa. Kot zdravnica in znanstvenica gleda na človeško telo iz dveh perspektiv: prva je računalniška analiza celic na ekranu, druga pa so pacienti, ki vsak dan vstopajo skozi vrata njene ordinacije.

Trenutno obeh perspektiv še ni mogoče tako preprosto združiti. Toda sčasoma se bo to spremenilo. Po mnenju Muzlifah Haiffe bodo orodja, ki jih zdravniki uporabljajo danes, kot sta denimo stetoskop za poslušanje zvokov pljuč, srca in drugih delov telesa, ali preprosta krvna slika, nekoč zamenjali instrumenti za profiliranje naših telesnih celic. Algoritmi bodo analizirali rezultate, pojasnili obstoječe težave in napovedali najboljši način zdravljenja. Tudi mnogi drugi zdravniki so mnenja, da je to prihodnost zdravstva.

Kaj bi to pomenilo za nas

Oplajanje z biomedicinsko pomočjo danes poteka že kar rutinsko, podobno lahko rečemo za presajanje organov, čas preživetja obolelih z rakom pa je skoraj enkrat daljši, kot je bil še pred nekaj leti. Toda vsi ti dosežki niso nič v primerjavi s tem, kar prihaja.

Napredek na področju človeške biologije je tako hiter kot še nikoli. Zaradi analiziranja svojih genov bolje razumemo, zakaj se med seboj razlikujemo. Delovanje naših možganskih celic nam razkriva, kako deluje naš um, do zdaj neznane strukture, ki so jih znanstveniki odkrili v naših celicah, so omogočile razvoj novih zdravil, beljakovine in druge molekule, za katere se je izkazalo, da prav tako krožijo po naši krvi, so spremenile naš pogled na duševno zdravje.

Znanost vedno bolj vpliva na naša življenja, toda nič na nas ne vpliva bolj neposredno kot nova razkritja o človeškem telesu. Na obzorju so popolnoma novi načini opredeljevanja, spremljanja in upravljanja zdravja.

Navadili smo se že na idejo, da so lahko naši osebni genetski podatki precej uporabni pri spremljanju našega zdravja. Toda pravkar se neslišno, skorajda na skrivaj odvija revolucija, ki utegne imeti v prihodnosti še večji vpliv na zdravstvo: globoka analiza človeških telesnih celic.

Nekega dne boste morda obiskali svojega zdravnika zaradi težav s kožo - izpuščaja, srbečice ali česa drugega. Zdravnik bo odvzel majhen vzorec vaše kože ali morda krvi in bo lahko s pomočjo popolne analize vseh celic v vzorcu postavil natančno diagnozo ter izbral najbolj učinkovito terapijo. Morda bodo ti postopki nekoč celo avtomatizirani. Še dlje v prihodnosti bo oprema za to analizo že dovolj majhna in poceni, da jo bomo lahko izvedli kar sami doma.

Bolezni bo mogoče tudi pogosteje predvideti še pred pojavom kakršnihkoli simptomov. Eden najpomembnejših ciljev znanosti je bolezni zatreti, še preden se sploh razvijejo. Pri nekaterih boleznih smo to že dosegli - s cepivi, čisto vodo in boljšimi sanitarno-higienskimi razmerami. Računalniške analize celic, genov in drugih stvari prinašajo nove načine preprečevanja bolezni. Znanstveniki čutimo dolžnost, da zagrabimo novo priložnost, toda v praksi se bomo morali spoprijeti s številnimi izzivi in nepredvidenimi posledicami.

Naj navedem vsem znani primer: indeks telesne mase, ki pomeni razmerje med posameznikovo težo in višino. Z njim označujemo ljudi kot prelahke, normalno težke, pretežke ali debele. V bistvu je uporaben, ker nakazuje na povečano tveganje za nekatere bolezni, denimo za diabetes tipa 2, in ker lahko z nekaterimi ukrepi to tveganje precej zmanjšamo. Toda oznaka lahko izzove celo vrsto drugih težav, povezanih s človekovo samozavestjo ter z odnosom družbe do debelosti in človeške raznovrstnosti.

Sprejemanje težkih odločitev

Vsi smo do neke mere dovzetni za katero bolezen. Ker znanost hitro napreduje in ker vsak dan o sebi izvemo kaj novega, se bomo nedvomno začeli vsi že kmalu utapljati v podatkih o nas samih. Preplavljeni bomo z ocenami in verjetnostmi, ki se bodo poigravali z našim umom in identiteto ter od nas zahtevali, da sprejemamo težke odločitve glede svojega zdravja in načina življenja.

Povsem verjetno se denimo zdi, da bi lahko na podlagi poglobljeno analiziranega stanja imunskega sistema posameznika napovedali simptome, ki se utegnejo pri njem pojaviti denimo po okužbi z novim koronavirusom. Kazalniki imunske aktivnosti utegnejo biti tudi tesno povezani s posameznikovim duševnim zdravjem. Neka analiza je namreč pokazala, da so pri ljudeh z depresijo prisotne visoke ravni proinflamatornih izločkov imunskih celic, tako imenovanih citokinov.

- Avtor prispevka Daniel M. Davis je profesor imunologije, Univerza v Manchestru