Mozgové správy ukryté v tukových nanočasticiach

Článok je súčasťou rubriky Veda, výskum - naša šanca.

Mozog svoje správy odosiela v tukom obalených časticiach, ktoré krvou rozposiela do celého tela. Nanotechnológie vyrobené prírodou.

Exozómy – tukové nanočastice

Pravdepodobne väčšina buniek ľudského tela dokáže komunikovať so svojim okolím prostredníctvom malých vreciek (vezikuly), ktoré môžu mať rôzne veľkosti. Najmenšie z nich sú exozómy. V tukovom obale sú zabalené rôzne molekuly, od bielkovín, cukrov, tukov až po nukleové kyseliny. Ponuka je naozaj pestrá, je z čoho vyberať.

Pôvodne sme exozómy pokladali za súčasť odpadového hospodárstva. Je to jednoduchý spôsob, ako sa zbaviť nepotrebného materiálu. Vyhodiť ho do vonkajšieho prostredia v podobe malého vrecka, ktoré nepúta pozornosť imunitného systému. Môžeme ich nájsť v krvi, slinách, ejakuláte, moči či materskom mlieku. Tekuté prostredie lahodí ich cestovateľskej náture.

Exozómy môžu vstupovať do iných buniek. A to bez zaklopania. Prečo by si však bunky medzi sebou vymieňali odpad? Posledné výskumy naznačujú, že to môže byť dômyselný komunikačný nástroj. Mozog vďaka exozómom zásobuje telo množstvom potrebných informácií. A my ich postupne dešifrujeme s cieľom vyvíjať nové diagnostické nástroje.

Na veľkosti záleží

Veľkosť (30-150nm) a povrch exozómov určuje ich magické vlastnosti. Môžu putovať z mozgu na perifériu, ale aj opačným smerom. Ich rozmer im umožňuje poľahky prekročiť barikády mozgovo-cievnej bariéry. A to nie je ani zďaleka triviálna úloha. Bariéra je čínsky múr chrániaci mozog pred nežiadúcimi poslami.

Ich povrch je priveľmi všedný na to, aby lákal pozornosť imunitného systému. Je to veľká výhoda, pretože sa môžu voľne pohybovať v krvnou riečisku. Na druhej strane sú exozómy vítaným komunikačným nástrojom pre imunitný systém. Participujú na zápalových procesoch a imunitnej odpovedi.

Exozómy vo veľkom využívajú nádorové bunky, ale aj mikrobióm čreva. Baktérie ich používajú na šírenie genetických kódov zabezpečujúcich rezistenciu na antibiotiká. A bunky ľudského tela? Tie prostredníctvom exozómov zdieľajú svoje trampoty, vysielajú signály o svojej zraniteľnosti.

Viac ako vrecko s odpadom

Hoci exozómy boli objavené až v roku 1983, sú veľkým lákadlom výskumníkov na celom svete. Len v oblasti výskumu Alzheimerovej choroby evidujeme za posledné dve dekády takmer 600 vedeckých publikácií. Napriek tomu zostávajú exozómy naďalej záhadou. Je to len jednoduchý nástroj odpadového hospodárstva, alebo dômyselný informačný systém?

Exozómy sú obalené tukovou dvojvrstvou, cez ktorú sú prepletené rozmanité bielkovinové radary. A vďaka nim dokážeme určiť ich pôvod. Nachádzajú sa tam známe receptory s rôznorodým zameraním. Hoci na prvý pohľad pôsobia exozómy ako bublinky vznikajúce z bunkovej membrány, ich pôvod má odlišný príbeh.

V skutočnosti sa exozómy rodia v degradačnom systéme bunky, ktorý označujeme ako endozómy. Je to výkonný orgán odpadového hospodárstva. Endozóm vytvára malé uzlíčky a rozhoduje o ich osude. Časť z nich sa spojí s lyzozómami („spaľovňa“ biologického odpadu), zatiaľ čo druhá časť putuje smerom k bunkovej stene.

A práve odtiaľ ich bunka transportuje mimo svoje teritórium. Na prvý pohľad sa zdá, že je to len zvyšok odpadu vysypaného do voľného prostredia. Ale už samotné rozhodnutie neposlať všetko do internej spaľovne napovedá, že bunka môže mať aj iné úmysly. Bez ohľadu na to, aký je skutočný dôvod, exozómy nám ponúkajú cenné diagnostické posolstvá.

Diagnostika v krvi

Diagnostika ľudských neurodegeneračných ochorení sa postupne mení. Vo výskume začínajú dominovať krvné testy. Už dnes máme v rukách cenné diagnostické nástroje, ktoré dokážu odhaliť rukopis Alzheimerovej choroby v niekoľkých kvapkách krvi. Každým rokom sa diagnostika spresňuje a presúva sa do predklinického štádia.

Aj naše laboratórium je súčasťou tohto trendu. Tento rok sme začali využívať nové diagnostické testy na určenie rizika Alzheimerovej demencie u ľudí bez klinických príznakov. Prvé výsledky naznačujú, že metóda dokáže byť celkom presná. Pozitívny nález však treba brať skôr ako varovanie, nie definitívny ortieľ.

O čosi zaujímavejšie sa ukazujú testy, ktoré odhaľujú znaky ochorenia v exozómoch. S využitím nových technológií je možné v krvi identifikovať exozómy, ktoré pochádzajú z mozgu. A to nie je zďaleka všetko. Ukrývajú v sebe tajomné bielkoviny spôsobujúce fatálne ochorenia mozgu.

Posol zlých správ

Neurodegeneračné ochorenia ako Alzheimerova či Parkinsonova choroba, ale aj amyotrofická laterálna skleróza spôsobujú špecifické bielkoviny mozgu. A práve ich rukopis a spôsob šírenia určuje typ ochorenia. Jednotlivé bielkoviny vytvárajú charakteristické zhluky vo vybraných oblastiach mozgu.

Zhluky vznikajú postupným zlepovaním chorobou pozmenených bielkovín. Tento proces nie je náhodný. Odborníci na štruktúru dokážu podľa spôsobu zlepovania potvrdiť molekulovú podstatu ochorenia. Je to ako stavebnica Lego, kde rovnaké časti môžu vytvárať rôzne tvary. A práve tieto miniatúrne stavebnice sa nachádzajú v útrobách exozómov.

Vďaka tomu dokážeme rozpoznať pôvodcu ochorenia vo vzorke krvi. Exozómy prinášajú posolstvo buniek, ktoré zachvátil neurodegeneračný proces. Mozog vysiela signály a my ich konečne dokážeme dešifrovať. Je to revolúcia v poznaní mozgovej Morseovej abecedy. A naviac, už dnes sme schopní počúvať SOS v predklinickej fáze ochorenia.

Dobrodružstvá modernej diagnostiky

Poznanie, že exozómy prenášajú do krvi hybnú silu neurodegenerácie, otvára nové možnosti diagnostiky. Zlepené bielkoviny nie sú mŕtvy materiál. Dokážu rozbehnúť celý proces aj v malej skúmavke. Stačí im na to zdravá forma identickej bielkoviny. Zhluky pochádzajúce z exozómov dokážu premieňať zdravé bielkoviny na svoj obraz.

Príkladom sú tzv. synukleinopatie, Parkinsonova choroba, demencia s Lewyho telieskami a multisystémová atrofia. Tri odlišné ochorenia, ktoré spôsobuje malá bielkovina alfa synukleín. V každej z nich sa však synukleín zlepí dohromady odlišným spôsobom. Molekulová rozmanitosť je dobrým nástrojom pre diagnostiku.

Lekári už dnes dokážu identifikovať predklinické štádiá synukleinopatií. Avšak nedokážu predpovedať, ktorou cestou napokon pacient vykročí. A práve bielkovinové zhluky ukryté v exozómoch môžu byť vhodným nástrojom, ako predpovedať budúcnosť ochorenia. Nové krvné testy nahradia krištáľové gule.

Zvieratá poskytujú dôkazy

Zhluky zlepených bielkovín dokážu roztočiť neurodegeneračné procesy aj v mozgu experimentálnych zvierat. Po smrti pacientov ich dokážeme izolovať z mozgového tkaniva. Po podaní do mozgu myší a potkanov spôsobia vznik neruodegeneračných štruktúr vo vnútri „infikovaných“ buniek.

Svoju aktivitu si zachovajú aj po smrti pacienta. A hoci nepôsobia ako infekčný materiál, majú schopnosť premieňať zdravé bielkoviny na svoj vlastný obraz. A samozrejme sa dokážu šíriť v mozgu zvierat podobne, ako v mozgu pacientov. Je celkom pravdepodobné, že na to používajú práve exozómy.

Experimenty potvrdzujú tento naratív. Exozómy izolované z krvi pacientov majú rovnaké schopnosti ako zhluky získané z mozgu pacientov. Príčinou tohto fenoménu je prítomnosť identických zhlukov v hlbinách exozómov s trvalým pobytom v mozgu. Tieto výsledky sú natoľko čerstvé, že budú potrebovať ešte rozsiahle potvrdzujúce štúdie.

Zdola nahor

Mozgové exozómy dokážu putovať na veľké vzdialenosti a prekonávať nástrahy imunitného systému. Dokážeme ich vyloviť z krvného riečiska a podrobiť molekulovému výsluchu. Prinášajú svedectvá z prvej ruky. A my ich začíname postupne dekódovať. Avšak, ak existuje cesta zhora nadol, mala by fungovať aj opačným smerom.

To je však už úplne iná pesnička. Príchod exozómov z periférie do mozgu môže byť začiatkom chorobných zmien rôznych mozgových ochorení. V tejto chvíli plávame v bazéne hypotéz a na konkrétne dôkazy si ešte budeme musieť počkať. V ostatnom čase sa dokonca začalo špekulovať o tom, že exozómy z črevného mikrobiómu by mohli doraziť až k bránam mozgu. Mikrobiom ante portas!

Svet exozómov zostáva naďalej iba čiastočne prebádaný. Jeho diagnostický potenciál sa zatiaľ postupne preberá k životu. Pokiaľ sa potvrdia prvé nesmelé výskumné kroky v tejto oblasti, bude to začiatok novej éry v diagnostike neurodegeneračných ochorení. A my môžeme garantovať, že Slovensko toho bude súčasťou.

doc. MVDr. Norbert Žilka, DrSc., akademik Učenej spoločnosti Slovenska

• riaditeľ Neuroimunologického ústavu SAV
• vedecký riaditeľ biotechnologickej firmy AXON Neuroscience
• zakladateľ prvej slovenskej mozgovej banky
• spoluautor prvej vakcíny proti tau proteínu, ktorá je určená na liečbu Alzheimerovej choroby
• http://www.niu.sav.sk/research-groups/integrated-neuromics/
• https://www.axon-neuroscience.eu/