Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro (VU GMC) ir JAV Temple universiteto profesorius Darius Balčiūnas sako, kad širdies raumens pažeidimai, sukelti tokių veiksnių kaip miokardo infarktas, lemia negrįžtamus pokyčius šiame mūsų kūno organe. Tačiau kai kurių gyvų organizmų širdis net po pažeidimo sugeba regeneruotis. Pasak prof. D. Balčiūno, jei sugebėtume viename tokių organizmų – mažoje žuvelėje vykstančius procesus atkurti žmogaus kūne, atsirastų nauja viltis visai žmonijai.

Tema pasirinkta neatsitiktinai

Prof. D. Balčiūnas nuotoliniame seminare „Širdies regeneracija: nuo žuvies iki žmogaus“ prisipažino, kad širdies regeneracijos temą savo tyrinėjimams pasirinko neatsitiktinai – širdies ir kraujagyslių sistemos ligos yra viena pagrindinių mirties priežasčių visame pasaulyje.

„Pažeidus žmogaus širdies raumenį dėl, pavyzdžiui, miokardo infarkto, susidaro ir išlieka randas. Tuo tarpu kai kurie žemesnieji stuburiniai sugeba visiškai atkurti pažeistą širdies raumenį. Todėl būtina pažvelgti plačiau, kas šiuo metu mokslui žinoma apie širdies regeneraciją ir kodėl nedidelė akvariuminė žuvelė yra tinkamas modelis jai studijuoti“, – aiškina mokslininkas.

Modelinės sistemos – žmogaus biologijai studijuoti

Pasak VU GMC profesoriaus, prieš pradedant gilintis į gana įprastą gėlavandenę akvariuminę žuvelę Danio rerio (lietuviškai paprastai vadinamą Danio rerija, angliškai zebrafish) būtina pažinti modelines sistemas ir jų naudojimą. Siekiant išgydyti žmogaus ligas, svarbu atlikti gausybę įvairių tyrimų tam geriausiai tinkamuose organizmuose.

„Logiška būtų galvoti, kad geriausia dirbti su žmogumi ir žmogaus ląstelių kultūromis. Vis dėlto tam yra daugybė kliūčių: kai kuriems tyrimams reikalingas visas organizmas, neįmanoma (ir nereikia) sukurti reikalingą eksperimentinį genotipą, sudėtinga atlikti eksperimentus, kuriuose keičiamos sąlygos, ir daugybė kitų veiksnių“, – sako mokslininkas.

Pasak jo, nesant visapusiškos galimybės dirbti su žmogaus organizmu, mokslas naudoja įvairias modelines sistemas. Mokslo bendruomenė tam pasitelkia pagalbininkus: tam tikrų rūšių mieles, museles, rupūžes, peles, kirmėles, žiurkes ir kt.

Akvariuminė žuvelė itin tinka tyrimams

Kai kurie organizmai, tarp jų ir stuburiniai gyvūnai, sugeba regeneruoti pažeistus audinius bei organus, įskaitant širdį. Vis dėlto Danio rerijos modelinė sistema yra ypač tinkama norint suprasti mechanizmus, kurie įgalina širdies pažeidimų regeneraciją – šios žuvies širdis pasižymi itin geromis regeneracinėmis savybėmis, greitu išoriniu vystymusi.

„Mokslininkai turi sekvenuotą šios žuvelės genomą, o apie 80 proc. žmogaus genų turi homologus žuvyse. Tyrimai su šiomis žuvelėmis – nebrangūs ir nesudėtingi. Yra ir daugiau kitų įvairių zebražuvių pranašumų, todėl, nors ir turėdamas vieną neišvengiamą trūkumą – juk tai ne žinduolis, šis modelis plačiai naudojamas širdies regeneracijos tyrimuose“, – sako mokslininkas.

Danio rerijos širdies ypatumai taip pat labai palankūs tyrinėjimams. „Žuvelės širdis – paprastesnė, palyginti su žmogaus, nes turi vieną prieširdį ir vieną skilvelį. O širdį sudaro tie patys trys pagrindiniai „sluoksniai“ kaip ir žmogaus – epikardas, miokardas, endokardas – bei kraujagyslės. Šios žuvelės genai (transkripcijos faktoriai ir signaliniai baltymai) reguliuoja širdies vystymąsi panašiai kaip žmogaus“, – sako prof. D. Balčiūnas.

Dirbant su šiomis žuvelėmis, pasak mokslininko, galima pritaikyti įvairius metodus, pavyzdžiui, tyrinėti genų atitikimą – žmonėms Tbx5a mutacija sukelia Holt-Oramo sindromą, analogiškus pokyčius žuvies organuose (pelekuose, širdyje) šis genas sukelia ir zebražuvei.

Prof. D. Balčiūnas sako, kad tiriant Danio rerijos širdies pažeidimus (mechaninius ir pažeidimus šalčiu) pastebėta, kad jau po kelių valandų prasideda regeneraciniai procesai: „Praėjus vos kelioms valandoms aktyvuojamas endokardas, kelioms dienoms – epikardas. Per kitas dvi savaites kardiomiocitai dediferencijuoja, dauginasi ir migruoja į pažeistą vietą, pradeda susidaryti kraujagyslių tinklas. Maždaug po mėnesio nuo pažeidimo kardiomiocitai diferencijuojasi ir susijungia funkcionalų audinį. Regeneracija baigta.“

Genų valdymas – raktas į sėkmę

Manoma, kad regeneracijos metu didele dalimi atkartojama vystymosi programa. Tai labai apsunkina bandymus nustatyti, kurie genai būtinai reikalingi regeneracijai. Kadangi tie patys genai reikalingi ir vystymuisi, mutantai tiesiog neužauga arba pasižymi ryškiais vystymosi defektais.

Pasak prof. D. Balčiūno, norint nustatyti, ar genas reikalingas regeneracijai, būtini vadinamieji „sąlyginiai mutantai“, kurie leistų „išjungti“ geną suaugusioje žuvyje. Būtinybė sukurti „sąlyginius mutantus“ ilgą laiką buvo vienas iš didžiausių iššūkių šioje modelinėje sistemoje, ir jo laboratorijos indėlis į šio iššūkio įveikimą yra itin didelis.

„Atlikus tyrimus su Tbx5a „sąlyginiu mutantu“ buvo padaryta išvada, kad šis genas būtinas širdies regeneracijai”, – sako mokslininkas.

VU GMC profesoriaus įsitikinimu, tyrimams jau pravertė ir ateityje dar labiau pravers ir CRISPR/Cas9 metodas, vadinamosios „genomo žirklės“. CRISPR-Cas9 technologija, prie kurios kūrimo ir plėtojimo ypač prisidėjo VU GMC profesoriaus V. Šikšnio grupė, leidžia itin tiksliai redaguoti įvairių organizmų DNR. „Šios genomo žirklės šiandien mums leidžia susikurti genetiškai modifikuotus kamienus ir planuoti eksperimentus, apie kuriuos prieš kelerius metus negalėjome nė pasvajoti“, – sako prof. D. Balčiūnas.

Mokslininko teigimu, per artimiausius kelerius metus VU GMC bus atliekami tyrimai, padėsiantys nustatyti genų raiškos pokyčius, būtinus širdies regeneracijai įvykti. „Tai reiškia, kad pradėsime sudarinėti savotišką kardiomiocito „regeneracinę programą“. Tuomet galėsime palyginti, kurie šios programos žingsniai stringa organizmuose, kuriuose širdis neregeneruoja: suaugusiose pelėse ar net žmoguje. Galiausiai reikės atrasti būdus, kaip tuos „stringančius“ žingsnelius aktyvuoti arba apeiti – tuomet atsiras galimybės atkurti pažeistos žmogaus širdies audinį“, – viliasi mokslininkas.

Nemokamas nuotolinis seminaras „Širdies regeneracija: nuo žuvies iki žmogaus“ buvo nemokamų nuotolinių paskaitų ir seminarų ciklo, kurį VU profesinės šventės proga dovanojo Lietuvos pedagogams, dalis. Lietuvos mokytojai turėjo unikalią galimybę susipažinti su naujausiais VU mokslininkų vykdomais moksliniais tyrimais, kartu su mokslininkais aptarti aktualius nuotolinio ir mišriojo mokymosi ypatumus Covid-19 pandemijos metu.