Kaip žmogaus kūnas reaguotų į ilgas kosmines keliones: FTMC mokslininkai pateikia naujų žinių

Tolimos kosminės kelionės jau seniai yra mokslininkų ir fantastų svajonė, tačiau jai įgyvendinti reikia daugybės sąlygų. Viena iš jų – išsiaiškinti, kaip astronautus apsaugoti nuo sveikatai žalingo poveikio, kuris jų lauktų tiek dėl kosminės radiacijos, tiek dėl ilgo buvimo erdvėlaivyje be organizmui natūralios Žemės traukos.

Prie šios problemos sprendimo prisideda Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Nanoinžinerijos skyriaus mokslininkai dr. Artūras Ulčinas ir dokt. Tadas Jelinskas. Jie vykdo Europos kosmoso agentūros (EKA) projektą, kurio metu tyrinėja žmogaus kremzlės ląsteles – jas užaugina laboratorijoje, išmėgina mikrogravitacijos bandymais ir su atominių jėgų mikroskopu tiesiogine to žodžio prasme spaudinėja, stebėdami ląstelių pokyčius. Visa tai reikalinga norint geriau išsiaiškinti, kaip kosmose keičiasi astronautų kremzlės.

Pasak pašnekovų, šie eksperimentai yra pirmieji tokie pasaulyje, o pradiniai rezultatai jau suteikia daug vertingos informacijos.

Ląstelės irgi jaučia spaudimą

Vilniuje veikiančioje FTMC Nanoinžinerijos skyriaus Nanoformavimo ir biolustų technologijų laboratorijoje mokslininkai ieško atsakymų, kaip medžiagos „elgiasi“ mažesniuose už gyvą ląstelę matmenyse. Tyrinėjamos medžiagų cheminės savybės, molekulinė struktūra, taip pat – mechaninės savybės, tokios kaip standumas, paviršiaus šiurkštumas ar reljefas. Visa tai lemia, kaip medžiaga veikia.

„Mūsų tikslas – suprasti, kaip skirtingų savybių derinys nanolygmeniu lemia galutinę medžiagos funkciją, ir išmokti tas medžiagas formuoti taip, kad galėtume pasiekti konkretų rezultatą. Tai gali būti, pavyzdžiui, superhidrofobinės dangos – savaime apsivalantys stiklai ar paviršiai. Priešingai, galima kurti ir itin gerai drėkinančius paviršius, kuriais vanduo lengvai teka. Kitas svarbus pritaikymas – lokaliai aktyvuojamos reakcijos, kai, pasitelkus šviesą ar kitus stimulus, tam tikrose vietose pakeičiamas paviršiaus rūgštingumas“, – sako laboratorijos vadovas dr. Artūras Ulčinas.

Viena pagrindinių jo komandos užduočių – kaip šiuos metodus pritaikyti žmogaus organizmo tyrimams. Tam mokslininkai pasitelkia mechanobiologiją – besivystančią mokslo šaką, apie kurią greičiausiai negirdėjote. Mechanobiologija tyrinėja, kaip ląstelės keičiasi dėl jas veikiančio spaudimo, tempimo, virpesių bei kitų mechaninių jėgų. Teigiama, kad ląstelės iš tiesų tiesiogiai jaučia visus šiuos procesus ir atitinkamai reaguoja keisdamos savo „elgesį“.

Kasdieniškas to pavyzdys yra mankšta: kai atliekame pratimus sporto klube, raumenų ląstelės patiria spaudimą ir tempimą – tuomet „supranta“, kad reikia sustiprėti ir ima gaminti daugiau baltymų.

Tai, kad ląsteles veikia išorinės jėgos, galime suprasti ir iš mokslo pasaulio: norint laboratorijoje užauginti širdies audinį iš kamieninių ląstelių, nepakanka jų į įdėti į tam tikrą terpę – ląsteles reikia įtempti ir atleisti, kad jos „galvotų“, jog yra plakanti širdis.

Organizmas šitaip reaguoja ne tik į fizinį aktyvumą, bet ir į neveiklumą: jei judame mažiau, raumenų ląstelės „nebenori“ dirbti, gauna signalą, kad kūno stiprinti nebereikia, ir jos tiesiog traukiasi.

Ir tai galioja ne tik raumenims, bet ir praktiškai visiems audiniams, tarp kurių yra ir FTMC mokslinio tyrimo objektas – sąnario kremzlė.

(Dokt. Tadas Jelinskas. FTMC nuotr.)

Pamatinės žinios duos ir praktinės naudos

„Kremzlės audinys būna nuolatos maigomas, spaudžiamas, ypač kai vaikštome ar bėgame. Mūsų audiniai įpratę gauti vienokį ar kitokį fizinį krūvį, tačiau astronautai kosmose tokios apkrovos nepatiria. Ir ne tik jie – jei žmogus yra suparalyžiuotas ar suserga kita liga, kuri jį priverčia nuolat gulėti lovoje, audiniai taip pat negaus reikalingo krūvio.

Raumenys geba atsikurti greičiau, tačiau kremzlė yra toks audinys, kuris labai sunkiai regeneruojasi. Todėl aktualu išsiaiškinti, kodėl taip yra – ir kaip galbūt galėtume paskatinti kremzlės atsinaujinimą.

Mokslas jau seniai pastebėjo, kad netekus gravitacijos keičiasi raumenų ir kremzlės struktūros. Tačiau iki šiol neatsakyta, kas konkrečiai įvyksta su pavienėmis ląstelėmis“, – pasakoja FTMC doktorantas Tadas Jelinskas.

Nagrinėti šiuos klausimus atsirado galimybė, kai EKA paskelbė kvietimą Lietuvai, kaip asocijuotai agentūros narei, dalyvauti projekte teikiant idėjas doktorantūrai. Tad projektas yra ir Tado disertacijos darbo dalis.

Pasak A. Ulčino, jo doktoranto tyrimai iškart nepasiūlys konkrečių sprendimų astronautams, tačiau viso pasaulio mokslininkams suteiks vertingų žinių:

„Grynasis mokslas skirtas kurti naują supratimą apie mus supančią aplinką. Kai tai pavyksta, tuomet jau prisijungia prietaisus kuriantys inžinieriai, vaistų gamintojai, kineziterapeutai... Atsiveria naujos galimybės. Taip ir mūsų atveju, sukauptas žinias bus galima plačiai panaudoti norima linkme.

Pasaulyje jau ieškoma būdų, kaip audinių standumo matavimus perkelti į klinikinę praktiką. Tai leistų greičiau ir mažiau invaziškai nei dabar aptikti ankstyvus audinių pokyčius. Be to, šiuos metodus galima derinti su organoidų ar ląstelių kultūrų auginimu.“

(Celė su hidrogeliu ir kremzlės ląstelėmis. FTMC nuotr.)

Supamos ir baksnojamos ląstelės

FTMC Nanoformavimo ir biolustų technologijų laboratorijoje eksperimentai vyksta keliomis pakopomis: nusipirkę kamieninių žmogaus ląstelių, mokslininkai jas išaugina į norimą kremzlės audinį. Šios ląstelės, priklausomai nuo sąlygų, gali tapti kaulu (jei bus kietoje aplinkoje), kremzle ar riebaliniu audiniu.

T. Jelinskas ir A. Ulčinas ląsteles patalpina į želė primenančią terpę, vadinamą hidrogeliu. 95 proc. šios terpės sudaro vanduo, ir ji ypatinga tuo, kad atkartoja natūralią ląstelių aplinką. Hidrogelyje teka vanduo ir maistas – vitaminai, aminorūgštys ir kitos naudingos medžiagos. O tam, kad ląstelės užaugtų kremzle, jos maitinamos ir atitinkamais baltymais.

Kai kremzlė ganėtinai susiformuoja, celę (mažą indelį) su šiomis ląstelėmis mokslininkai įdeda į klinostatą – laboratorinį prietaisą, kuris sukasi įvairiomis kryptimis ir taip priverčia ląsteles tartum „nebejausti“ Žemės traukos, kaip kosmose. Tadas Jelinskas klinostatą sukonstravo pats ir jį juokais vadina karusele ląstelėms.

„Iš esmės šis aparatas nuolat suka ląsteles aplink dvi ašis. Dėl to gravitacija jas veikia tai viena, tai kita kryptimi. Jei žiūrėsime ilgesnį laiką, visos kryptys tarsi susilygina – nėra vienos dominuojančios, todėl ląstelės negauna pastovaus signalo ir negali nusistovėti vienoje padėtyje.

Tai galime įsivaizduoti taip: jei laikote šaukštą su medumi, jis pamažu nuteka žemyn. Tačiau jei šaukštą nuolat suksite, medus ir toliau judės, bet nenuteks viena kryptimi. Panašiai „elgiasi“ ir ląstelės.

Įprastomis sąlygomis jų citoskeletas – vidinis „karkasas“ – susiformuoja ir pasiekia tam tikrą stabilią struktūrą. Žinoma, ji gali kisti, jei ląstelė juda ar keičia savo būseną, bet paprastai išlieka gana pastovi. Mikrogravitacijos sąlygomis tokia stabili būsena nepasiekiama – citoskeletas nuolat persitvarko ir bando persiorientuoti“, – paaiškina A. Ulčinas.

(Klinostatas, kuriame sūpuojamos ląstelės ir sukuriamos mikrogravitacijos sąlygos. FTMC nuotr.)

„Kosmose“ pabuvusios ląstelės galiausiai padedamos po atominių jėgų mikroskopu. Šis įrenginys turi plonytį strypelį su dar plonesne, plika akimi nematoma, adatėle, kuri gali būti nusmailinta iki 20 nanometrų spindulio – į šį plotą telpa nuo kelių dešimčių iki kelių šimtų atomų. Toks ypatingas jautrumas leidžia pavienes ląsteles „čiupinėti“, spaudinėti, matuoti jų standumą, atsaką į virpesius ir kitaip stebėti, kas su jomis vyksta. O tam, kad adatėlė ląstelės nepradurtų, jos smailėje gali būti pridėtas užapvalintas rutuliukas.

„Todėl siekiame tirti ne tik pasikeitusį ląstelės citoskeletą, bet ir kitas jos struktūras – vadinamąsias organeles. Pavyzdžiui, galime pamatyti, kaip keičiasi branduolys: ar jis tampa kompaktiškesnis ir standesnis, o gal priešingai – mažiau kompaktiškas ir minkštesnis.

Tokius parametrus tikimės išmatuoti ir vėliau juos susieti su kitais stebimais pokyčiais – ląstelių forma ar biocheminiais signalais. Būtent dėl to ši tema pasirodė aktuali ir Europos kosmoso agentūrai“, – sako A. Ulčinas.

Kalbėdamas apie atominių jėgų mikroskopiją, jis pateikia dar vieną pavyzdį iš kasdienybės. Norėdami patikrinti, ar krepšinio kamuolys pakankamai pripūstas, jį suspaudžiame rankomis arba pamušame į grindis žiūrėdami, kaip jis atšoka. Panašiai ir su ląstelėmis: vienu atveju mikroskopo adata spaudžiama į ląstelę ir stebima, kaip ji priešinasi deformacijai – iš to, taikant fizikinius modelius, apskaičiuojamas vadinamasis Jungo modulis, apibūdinantis ląstelės standumą.

Kitu atveju mikroskopo strypelis nuolat vibruoja ir veikia ląstelę skirtingais dažniais, tarsi „maigydamas“ ją. Tai leidžia įvertinti, kaip energija elgiasi sistemoje – kiek jos grąžinama, kiek išsklaidoma. Taip galima nustatyti visos ląstelės bei atskirų jos organelių standumą bei klampumą, o kiekvienas toks pokytis gali būti reikšmingas žmogaus sveikatai.

Tokių tyrimų iki šiol nebuvo

FTMC doktorantas T. Jelinskas šiuos darbus atlieka jau pusantrų metų. Per šį laiką išbandytas mikrogravitacijos poveikis ląstelėms, ir naujausi rezultatai įrodo, kad kosmoso sąlygomis ląstelės minkštėja.

„Šis neseniai užbaigtas eksperimentas iš esmės patvirtino, kad pusantrų metų trukęs darbas veikia ir gali duoti atsakymus į Europos kosmoso agentūros iškeltus klausimus. Matome, kad mikrogravitacija tikrai mažina ląstelių standumą – jos tampa minkštesnės.

Gyvų ląstelių standumas įvairiuose kontekstuose, taikant atominių jėgų mikroskopiją, buvo tyrinėjamas jau 15 metų, gal net daugiau, ir dabar panašu, kad užčiuopėme atsakymą į „kosminį“ klausimą.

Tado atlikti eksperimentai leidžia manyti, kad ląstelių minkštėjimas gali būti susijęs ir su kitais pokyčiais – biocheminiais signalais ar ląstelių fenotipu, tai yra jų forma ir tarpusavio sąveika. Šiuos ryšius dar reikės patvirtinti tolesniais tyrimais, bet mūsų pirminis rezultatas apie ląstelių minkštėjimą jau pasiektas“, – sako A. Ulčinas.

(Atominių jėgų mikroskopo užapvalinta adatėle, kompiuterio ekrane išdidinta šimtus tūkstančių kartų. FTMC nuotr.)

Pasak mokslininko, iki šiol pagrindinis T. Jelinsko darbas buvo paruošti mokslinę įrangą, eksperimentinį procesą ir metodiką tam, kad būtų galima išgauti norimus rezultatus: „Tai tikrai didžiulis darbas, nes tokių eksperimentų niekur pasaulyje iki šiol nebuvo daryta.“

Kitas svarbus atliktas tyrimas – Tadas stebėjo, kokią įtaką ląstelių reakcijai į mikrogravitaciją daro trys skirtingi paviršiai, ant kurių jos yra auginamos.

„Kaip standartą naudojome stiklą, nes jis plačiai taikomas daugelyje laboratorijų. Taip pat tyrėme du hidrogelius: vienas jų – natūralaus baltymo kolageno, išgauto iš kiaulės odos, o kitas – visiškai sintetinis hidrogelis, pagamintas iš kolageną imituojančio peptido (trumpos aminorūgščių grandinės).

Palyginau, kaip veikia natūralus hidrogelis ir kuo jis skiriasi nuo sintetinio. Pastarojo privalumas tas, kad jo savybes galima labai tiksliai kontroliuoti. Tuo tarpu biologinės kilmės medžiagos pasižymi didesne variacija – pavyzdžiui, kolagenas gali skirtis priklausomai nuo to, iš kokio organizmo jis išgautas. Be to, natūraliose medžiagose gali būti endotoksinų ar kitų priemaišų, susijusių su virusais ar bakterijomis. Sintetinėse medžiagose šių problemų iš esmės išvengiama“, – sako T. Jelinskas.

Sintentinį hidrogelį doktorantas gauna iš lietuvių įmonės „Ferentis“, kuri EKA projekte yra FTMC komercinė partnerė. Šitaip siekiama, kad, net ir pasibaigus projektui, darbai nenutrūktų ir taptų realiomis inovacijomis.

Atlikdamas tyrimus Tadas pastebėjo, kad ant natūralaus kolageno paviršiaus ląstelės geriau prisitvirtina ir išlaiko stabilesnę formą, o mikrogravitacija jas veikia kiek silpniau. Tuo tarpu ant sintetinio hidrogelio ląstelės dažniau keičia savo formą ir yra linkusios atsiskirti nuo paviršiaus.

(Dr. Artūras Ulčinas prie atominių jėgų mikroskopo. FTMC nuotr.)

Nesuvokiami masteliai

„Kosminiai“ ląstelių tyrimai vyksta tuo metu, kai mūsų žvilgsniai po kelių dešimtmečių vėl dažniau krypsta į dangų: pasaulio dėmesį prikaustė sėkmingas „Artemis II“ misijos skrydis aplink Mėnulį, diskutuojama apie naują žmogaus išsilaipinimą jame, nuolatines bazes; neužmirštas ir Marsas, kuriame apsilankyti žmonija taip pat siekia. Ar FTMC mokslininkai jaučia, kad atlieka kažką svarbaus?

„Visai smagu pafantazuoti, kad vieną dieną gal ir mūsų hidrogelį kas nors skraidins į Mėnulio paviršių“, – dalijasi T. Jelinskas, į kurį doktorantūros metu jau kreipėsi įvairių sričių specialistai, sužinoję apie atliekamus mikrogravitacijos tyrimus.

„O šiaip visa tai atrodo savotiškai komiškai. Kai galvojame apie Visatą, įsivaizduojame tas begalines platybes, kur tiek daug žvaigždžių, kiek smėlio smiltelių paplūdimyje. Nesuvokiama didybė.

Tuo metu mes dirbame masteliuose, kurie sunkiai suvokiami savo mažumu. Ir šis kontrastas mums neleidžia visai „nuskrieti“ į kosmosą“, – šypsosi A. Ulčinas.

Parengė Simonas Bendžius