Lepsze zrozumienie mechanizmu rozwoju stwardnienia zanikowego bocznego

Zapewne wszyscy pamiętają Ice Bucket Challenge – wyzwanie w mediach społecznościowych, w ramach którego tysiące osób, w tym celebryci oraz politycy, wylewały na swoje głowy wiadra lodowatej wody. Nie wszyscy wiedzą jednak, że wyzwanie, które zdominowało tablice wszystkich użytkowników serwisów społecznościowych, było działaniem promocyjnym ukierunkowanym na zwiększanie świadomości dotyczącej badań nad stwardnieniem zanikowym bocznym, między innymi takich jak te prowadzone w ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu ExItALS (RNA-mediated intercellular miscommunication: role of extracellular vesicle cargos in Amyotrophic Lateral Sclerosis).

Aby dowiedzieć się więcej na temat badań, przeprowadziliśmy wywiad z koordynatorami projektu – doktorem Alessandro Quattrone, profesorem biologii eksperymentalnej na Uniwersytecie w Trydencie oraz Manuelą Basso, kierowniczką naukową wydziału biologii komórkowej, obliczeniowej oraz integracyjnej (CIBIO) Uniwersytetu w Trydencie.

Czym jest stwardnienie zanikowe boczne?

Quattrone: Stwardnienie zanikowe boczne jest rzadką chorobą neurodegeneracyjną, która dotyka przede wszystkim obwodowych i ośrodkowych neuronów ruchowych, co prowadzi do utraty kontroli nad spontanicznymi ruchami ciała. Podobnie jak inne przewlekłe choroby neurodegeneracyjne, stwardnienie zanikowe boczne rozpoczyna się w jednym punkcie ogniskowym, a następnie rozprzestrzenia się na cały układ nerwowy, w tym mózg i rdzeń kręgowy.

Basso: W miarę rozprzestrzeniania się choroby dochodzi do stopniowego uszkodzenia motoneuronów kontrolujących ruchy poszczególnych mięśni, co powoduje, że pacjenci zaczynają cierpieć z powodu problemów z przełykaniem lub tracą umiejętności ruchowe. Stopniowo choroba odbiera pacjentom kontrolę nad wszystkimi grupami mięśni, co powoduje, że osoba chora traci umiejętność mówienia, jedzenia, poruszania się, a nawet oddychania. Większość pacjentów cierpiących na stwardnienie zanikowe boczne umiera z powodu niewydolności oddechowej, zwykle w ciągu trzech do pięciu lat od chwili doświadczenia pierwszych objawów choroby.

Co zamierza osiągnąć zespół projektu ExItALS?

Quattrone: Nie istnieje na razie żaden lek na stwardnienie zanikowe boczne, dlatego nasz projekt koncentruje się przede wszystkim na próbach ustalenia czynników powodujących rozwój choroby. Znając przyczynę będziemy w stanie podjąć działania mające na celu opracowanie sposobów na powstrzymanie rozprzestrzeniania się choroby.

Czy zespołowi udało się ustalić jakie czynniki mogą umożliwiać chorobie tak szybki rozwój?

Basso: Neurony motoryczne wspierane są przez komórki glejowe współtworzące tkankę nerwową. Jak pokazują dotychczasowe badania, odgrywają one ważną rolę w rozwoju stwardnienia zanikowego bocznego. Jednym ze sposobów komunikacji pomiędzy komórkami glejowymi oraz neuronami są nanocząsteczki zwane pęcherzykami zewnątrzkomórkowymi. Są to niewielkie fragmenty komórek, które mogą być tworzone w różny sposób, a następnie cyklicznie uwalniane przez komórki z częstotliwością zależną od określonych bodźców. Jeśli mogę posłużyć się analogią, pęcherzyki zewnątrzkomórkowe to grupa wielu pojazdów kosmicznych wystrzeliwanych w przestrzeń kosmiczną z kosmodromu – komórki, skąd docierają do pobliskich planet i nad nimi orbitują.

Quattrone: Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe są wypełnione białkami, RNA oraz metabolitami, które odzwierciedlają zawartość komórki, z której pochodzą. Z racji tego, że pęcherzyki są wchłaniane przez otaczające je komórki i są w stanie trafiać do wszystkich układów organizmu ludzkiego poza ośrodkowym układem nerwowym, możemy wykorzystać je jako wskaźniki biologiczne – mierzalne substancje, których występowanie wskazuje na pewne zjawisko, na przykład określoną chorobę. Określenie zawartości pęcherzyków wewnątrzkomórkowych powodującej rozprzestrzenianie się choroby pomogłoby nam w lepszym zrozumieniu tego mechanizmu oraz identyfikacji biomarkerów wskazujących na stwardnienie zanikowe boczne.

Jakie były najważniejsze rezultaty osiągnięte do tej pory przez zespół projektowy?

Quattrone: Myślę, że najważniejszym rezultatem osiągniętym w ramach projektu było generowanie nowych pomysłów oraz umożliwienie współpracy międzyinstytucjonalnej. Na przykład dzięki współpracy z Manuelą Basso byliśmy w stanie dokonać oczyszczenia pęcherzyków zewnątrzkomórkowych pochodzących z komórek i tkanek kontrolnych oraz dotkniętych chorobą przy pomocy nowatorskiej techniki oferującej doskonałe wyniki. Ten przykład doskonale ilustruje to, jak ważna jest współpraca w badaniach naukowych.

Basso: Wspólnie udało nam się skutecznie scharakteryzować zawartość proteomiczną oraz genetyczną pęcherzyków, a obecnie pracujemy nad nowymi metodami, które pozwolą nam stwierdzić, które spośród ich składników powodują degenerację neuronów. Przeprowadziliśmy także badania pęcherzyków zewnątrzkomórkowych pobranych od pacjentów cierpiących na stwardnienie zanikowe boczne, a także od grup kontrolnych (pacjentów zdrowych, z objawami neuropatycznymi oraz dystrofią mięśniową. Na podstawie tych badań udało nam się ustalić wyjątkowy profil charakterystyczny dla tej choroby, a rezultaty zostaną ogłoszone już wkrótce w nadchodzącej publikacji.

Czy w czasie badań musieliście stawić czoła jakimś nieprzewidzianym wyzwaniom?

Basso: Największym wyzwaniem, z którym musieliśmy się uporać w czasie realizacji projektu było znalezienie metody oczyszczania, która oferowałaby dużą szybkość i wydajność, a zarazem powtarzalność i czystość. Co więcej, nawet w tym obszarze współpraca przyniosła wymierne korzyści – okazało się, że inna grupa badawcza pracująca na wydziale biologii komórkowej, obliczeniowej oraz integracyjnej opracowała właśnie taką metodę. W ramach projektu byliśmy w stanie porównać ich metodę do istniejących rozwiązań, a następnie sprawdzić ją wykorzystując duży zbiór próbek.

Co jest źródłem największej dumy w związku z projektem?

Quattrone: W ciągu zaledwie kilku miesięcy opracowaliśmy szereg eksperymentów, który pozwolił nam na badanie mechanizmów komunikacji międzykomórkowej w modelach in vitro oraz in vivo stwardnienia zanikowego bocznego. Następnie byliśmy także w stanie zweryfikować dane zgromadzone w ramach eksperymentów i porównać je do próbek pobranych od osób cierpiących na badaną chorobę. Dzięki temu obecnie rozumiemy lepiej w jaki sposób komórki komunikują się pomiędzy sobą przy pomocy nanowiadomości, a także jak ta komunikacja wpływa na stan i funkcjonowanie komórek.

Pomimo tego, że nadal nie rozumiemy jeszcze charakterystyki tych nanowiadomości, dzięki projektowi ExItALS jesteśmy coraz bliżej możliwości ich dekodowania.

Czy możemy dowiedzieć się czegoś więcej na temat nanowiadomości?

Quattrone: W sytuacji, gdy pęcherzyk zewnątrzkomórkowy pochodzi z komórki dotkniętej chorobą, na przykład uszkodzonego motoneuronu lub komórki glejowej, która nie stanowi już oparcia dla neuronu, zawiera molekuły odzwierciedlające te uszkodzenia, co prowadzi do rozprzestrzeniania problemów. Fakt, że jesteśmy w stanie analizować pęcherzyki uwalniane przez chory rdzeń kręgowy do osocza pomaga nam przechwycić wiadomości przesyłane przez rdzeń kręgowy bez konieczności przeprowadzania punkcji lędźwiowej, która jest bardzo bolesnym i inwazyjnym zabiegiem, zwłaszcza dla pacjentów cierpiących na chorobę neurodegeneracyjną. W ramach projektu badamy także możliwość wykorzystania zawartości pęcherzyków zewnątrzkomórkowych w roli biomarkerów pozwalających na diagnozowanie choroby w jej wczesnych stadiach.

Co będzie można określić mianem spuścizny projektu po jego zakończeniu?

Quattrone: Pomimo tego, że projekt dobiegnie końca w marcu 2019 roku, udało nam się uzyskać finansowanie ze strony włoskiego ministerstwa zdrowia, dzięki któremu będziemy mogli kontynuować rozpoczęte badania. W następnym stadium zamierzamy zbadać szerszą platformę wykrywania biomarkerów w próbkach pobranych od pacjentów, mechanizmy funkcjonalne pęcherzyków zewnątrzkomórkowych związanych z uszkodzeniami motoneuronów, a także możliwości zatrzymania rozprzestrzeniania się niepożądanych pęcherzyków.