Wojna z chorobami: powrót do starych miejsc
Pomimo nieprzerwanego strumienia odkryć w naukach medycznych, wiele znanych chorób nadal jest badaczami lisów. Dziś naukowcy szukają świeżych wskazówek na dobrze wydeptanych ścieżkach.
W miarę jak naukowcy zagłębiają się w mechanizmy leżące u podstaw trudnych do leczenia schorzeń, takich jak cukrzyca i choroba Alzheimera, chwytają się krawędzi nauki, sięgając po luźne nitki i wkładając palce w słabo oświetlone zakamarki.
Ale ponieważ odpowiedzi ze świeżych punktów widzenia nie zawsze są dostępne, warto co jakiś czas wracać, otwierając stare drzwi i ponownie odwiedzając znajome twarze.
Niedawno na przykład „odkryto” nowy organ, który ukrywał się na widoku. Śródmiąższ - system worków wypełnionych płynem - jest obecnie uważany za jeden z największych narządów ciała.
Wcześniej uważano, że śródmiąższ jest dość nieistotny; niewiele więcej niż anatomiczny papier klejący wspomagający prawidłowe narządy. Ale kiedy najnowocześniejsze techniki obrazowania zostały wyzerowane, jego rozmiar i znaczenie stały się jasne.
Teraz naukowcy pytają, czego może nas to nauczyć o obrzęku, zwłóknieniu i kłopotliwej zdolności raka do rozprzestrzeniania się.
W badaniach wszyscy wiedzą, że żaden kamień nie powinien zostać odwrócony. Jednak śródmiąższ przypomina nam, że należy je obracać wielokrotnie iw regularnych odstępach czasu.
W tym artykule omawiamy niektóre znane aspekty biologii komórkowej, które są ponownie analizowane i które zapewniają nieznane sposoby zrozumienia choroby.
Mikrotubule: więcej niż rusztowania
Przez cytoplazmę każdej komórki przebiega złożona sieć białek zwana cytoszkieletem, termin wymyślony po raz pierwszy przez Nikołaja Konstantinowicza Kolcowa w 1903 roku. Jednym z podstawowych składników cytoszkieletu są długie, rurkowate białka zwane mikrotubulami.
Mikrotubule pomagają utrzymać sztywność komórki, ale odgrywają również kluczową rolę w podziale komórek i transporcie związków w obrębie cytoplazmy.
Dysfunkcja mikrotubul została powiązana z chorobami neurodegeneracyjnymi, w tym z dwiema najważniejszymi: chorobą Parkinsona i Alzheimera.
Sploty neurofibrylarne, które są nienormalnie skręconymi nitkami białka zwanego tau, są jedną z cech charakterystycznych choroby Alzheimera. Zwykle w połączeniu z cząsteczkami fosforanu tau pomaga wzmocnić mikrotubule. Jednak w neuronach choroby Alzheimera białka tau zawierają do czterech razy więcej fosforanów niż normalnie.
Hiperfosforylacja zmniejsza stabilność i szybkość wytwarzania mikrotubul, a także może powodować rozmontowanie mikrotubul.
Nie do końca wiadomo, w jaki sposób ta zmiana w produkcji mikrotubul prowadzi do neurodegeneracji, ale naukowcy są zainteresowani tym, czy interwencja w te procesy może pewnego dnia pomóc w leczeniu lub zapobieganiu chorobie Alzheimera.
Problemy z mikrotubulami nie są zarezerwowane wyłącznie dla schorzeń neurologicznych. Od lat 90. naukowcy dyskutują, czy mogą być przyczyną zmian komórkowych, które prowadzą do zawału serca.
Najnowsze badanie poświęcone temu pytaniu wykazało, że zmiany chemiczne w sieci mikrotubul komórek serca sprawiły, że były one sztywniejsze i mniej zdolne do kurczenia się, tak jak powinny.
Autorzy uważają, że projektowanie leków ukierunkowanych na mikrotubule może ostatecznie być realnym sposobem „poprawy funkcji serca”.
Więcej niż potęga
Jeśli nauczyłeś się tylko jednej rzeczy na zajęciach z biologii, prawdopodobnie „mitochondria są siłą napędową komórki”. Po raz pierwszy dostrzeżeni w XIX wieku, dzisiejsi naukowcy pytają, czy mitochondria mogą być w zmowie z różnymi chorobami.
Najwięcej uwagi poświęcono roli mitochondriów w chorobie Parkinsona.
W rzeczywistości na przestrzeni lat w rozwój choroby Parkinsona wiązały się rozmaite awarie mitochondriów.
Na przykład, mogą pojawić się problemy w złożonych ścieżkach chemicznych, które generują energię w mitochondriach, a mutacje mogą wystąpić w mitochondrialnym DNA.
Ponadto mitochondria mogą zostać uszkodzone przez nagromadzenie reaktywnych form tlenu, które są wytwarzane jako produkt uboczny produkcji energii.
Ale w jaki sposób te wady powodują wyraźne objawy choroby Parkinsona? W końcu mitochondria znajdują się praktycznie w każdej komórce ludzkiego ciała.
Wydaje się, że odpowiedź leży w typie komórek dotkniętych chorobą Parkinsona: neuronach dopaminergicznych. Komórki te są wyjątkowo podatne na dysfunkcje mitochondriów. Po części wydaje się to spowodowane tym, że są one szczególnie wrażliwe na atak oksydacyjny.
Neurony dopaminergiczne są również silnie zależne od wapnia, pierwiastka, którego mitochondria mają na oku. Bez mitochondrialnej kontroli wapnia dopaminergiczne komórki nerwowe cierpią nieproporcjonalnie.
Omówiono również rolę mitochondriów w raku. Złośliwe komórki dzielą się i replikują w sposób niekontrolowany; jest to energetycznie kosztowne, co sprawia, że mitochondria są głównymi podejrzanymi.
Oprócz zdolności mitochondriów do generowania energii dla komórek rakowych, pomagają one także komórkom przystosować się do nowych lub stresujących środowisk. A ponieważ komórki rakowe mają niesamowitą zdolność przemieszczania się z jednej części ciała do drugiej, zakładania sklepu i rozmnażania się bez przerwy na oddech, mitochondria również są tu podejrzanymi złoczyńcami.
Oprócz choroby Parkinsona i raka istnieją dowody na to, że mitochondria mogą również odgrywać rolę w rozwoju niealkoholowej stłuszczeniowej choroby wątroby i niektórych chorób płuc. Nadal musimy się wiele dowiedzieć o tym, jak te pracowite organelle wpływają na choroby.
Następny poziom mikrobiomu
Bakteriofagi to wirusy atakujące bakterie. Wraz ze wzrostem zainteresowania bakteriami jelitowymi nie jest zaskoczeniem, że bakteriofagi zaczęły unosić brwi. Jeśli bakterie mogą wpływać na zdrowie, coś, co je zabija, z pewnością też może.
Bakterie obecne we wszystkich ekosystemach na ziemi są znane z wielu. Jednakże bakteriofagi mają nad nimi przewagę liczebną; jeden autor określa je jako „praktycznie wszechobecne”.
Wpływ mikrobiomu na zdrowie i choroby to zagmatwana sieć interakcji, którą dopiero zaczynamy rozwiązywać.
A kiedy wirom - nasze rezydentne wirusy - zostanie dodany do mieszanki, stanie się wykładniczo labiryntem.
Wiedząc, jak ważne są bakterie w chorobie i zdrowiu, wystarczy niewielki skok wyobraźni, aby zastanowić się, jak bakteriofagi - specyficzne dla różnych szczepów bakterii - mogą pewnego dnia przydać się w medycynie.
W rzeczywistości bakteriofagi były używane do leczenia infekcji w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku. Wypadli z łask przede wszystkim dlatego, że na scenie pojawiły się antybiotyki, które były łatwiejsze i tańsze w przechowywaniu i produkcji.
Ale z niebezpieczeństwem związanym z opornością na antybiotyki, który podnosi głowę, powrót do terapii bakteriofagowej może być na kartach.
Bakteriofagi mają również tę zaletę, że są specyficzne dla jednej bakterii, w przeciwieństwie do szerokiego zasięgu antybiotyków w wielu gatunkach.
Chociaż powrót zainteresowania bakteriofagami jest nowy, niektórzy już dostrzegają potencjalną rolę w walce z „chorobami układu krążenia i chorobami autoimmunologicznymi, odrzuceniem przeszczepu i rakiem”.
Ustaw dryfujący na tratwach lipidowych
Każda komórka jest pokryta błoną lipidową, która pozwala niektórym chemikaliom wchodzić i wychodzić, blokując ścieżki innych. Błony lipidowe, dalekie od bycia prostym workiem pełnym kawałków, są złożonymi jednostkami zawierającymi białka.
W obrębie kompleksu błon tratwy lipidowe są dyskretnymi wyspami, na których gromadzą się kanały i inne urządzenia komórkowe. Dokładny cel tych struktur jest przedmiotem gorącej debaty, ale naukowcy intensywnie próbują zmierzyć się z tym, co mogą oznaczać dla wielu schorzeń, w tym depresji.
Niedawne badania wykazały, że zrozumienie tych regionów może pomóc nam zrozumieć, jak działają leki przeciwdepresyjne.
Białka G - które są komórkowymi przełącznikami przenoszącymi sygnał - zostają dezaktywowane, gdy dryfują do tratw lipidowych. Gdy ich aktywność spada, odpalanie neuronów i komunikacja są ograniczone, co teoretycznie może powodować pewne objawy depresji.
Po drugiej stronie medalu wykazano, że leki przeciwdepresyjne przenoszą białka G z powrotem z tratw lipidowych, zmniejszając w ten sposób objawy depresji.
Inne badania dotyczyły potencjalnej roli tratw lipidowych w lekooporności i przerzutach raka trzustki i jajnika, a także spowolnieniu funkcji poznawczych na drodze do choroby Alzheimera.
Chociaż dwuwarstwowa struktura błony lipidowej została odkryta po raz pierwszy w połowie ubiegłego wieku, tratwy lipidowe są stosunkowo nowym dodatkiem do rodziny komórkowej. Na razie wiele pytań dotyczących ich budowy i funkcji pozostaje bez odpowiedzi.
Dobre rzeczy przychodzą w małych opakowaniach
Krótko mówiąc, pęcherzyki zewnątrzkomórkowe to małe paczki, które przenoszą chemikalia między komórkami. Pomagają w komunikacji i odgrywają rolę w procesach tak zróżnicowanych, jak krzepnięcie, starzenie się komórek i odpowiedź immunologiczna.
Ponieważ niosą wiadomości tam iz powrotem jako część tak szerokiego wachlarza ścieżek, nic dziwnego, że mają potencjał, by zbłądzić i zostać uwikłanym w choroby.
Ponadto, ponieważ mogą przenosić złożone cząsteczki, w tym białka i DNA, istnieje duże prawdopodobieństwo, że mogą przenosić materiały specyficzne dla choroby - takie jak białka zaangażowane w choroby neurodegeneracyjne.
Guzy wytwarzają również pęcherzyki zewnątrzkomórkowe i chociaż ich rola nie jest jeszcze w pełni poznana, jest prawdopodobne, że pomagają nowotworom w zakładaniu sklepów w odległych miejscach.
Jeśli nauczymy się odczytywać te międzykomórkowe sygnały dymne, uzyskamy wgląd w niezliczone procesy chorobowe. W teorii wszystko, co musimy zrobić, to wykorzystać je i złamać kod - co oczywiście będzie ogromnym wyzwaniem.
Poniżej fałdy
Jeśli studiowałeś biologię, możesz mieć mgliste wspomnienia o przyjemnej do wymówienia retikulum endoplazmatycznym (ER). Możesz również pamiętać, że jest to połączona ze sobą sieć spłaszczonych woreczków w cytoplazmie, położonych blisko jądra.
ER - po raz pierwszy dostrzeżony pod mikroskopem pod koniec XIX wieku - fałduje białka i przygotowuje je do życia w surowym środowisku poza komórką.
Ważne jest, aby białka były prawidłowo sfałdowane; jeśli tak nie jest, ER nie przewiezie ich do miejsca docelowego. W okresach stresu, kiedy ER pracuje po godzinach, nieprawidłowo sfałdowane lub rozłożone białka mogą narastać. To wywołuje tak zwaną odpowiedź niepofałdowanego białka (UPR).
UPR próbuje przywrócić normalne funkcjonowanie komórek poprzez oczyszczenie zaległości nie zwiniętych białek. Aby to zrobić, zapobiega dalszej produkcji białka, rozkłada źle sfałdowane białko i aktywuje maszynerię molekularną, która może pomóc w pęknięciu przy pewnym fałdowaniu.
Jeśli ER nie zdoła wrócić na właściwe tory, a UPR nie przywróci równowagi białkowej w komórce, komórka zostaje naznaczona śmiercią przez apoptozę, rodzaj samobójstwa komórki.
Stres ER i wynikający z niego UPR są zaangażowane w szereg chorób, z których jedną jest cukrzyca.
Insulina jest wytwarzana przez komórki beta trzustki, a ponieważ produkcja tego hormonu zmienia się w ciągu dnia, ciśnienie na ER rośnie i spada - co oznacza, że te komórki polegają na skutecznej sygnalizacji UPR.
Badania wykazały, że wysoki poziom cukru we krwi wywiera zwiększoną presję na syntezę białek. Jeśli UPR nie zdoła przywrócić sprawy na właściwe tory, komórki beta stają się dysfunkcyjne i umierają. W miarę zmniejszania się liczby komórek beta insuliny nie można już wytwarzać w razie potrzeby i rozwinie się cukrzyca.
To fascynujące czasy, aby zaangażować się w naukę biomedyczną, a jak pokazuje to krótkie spojrzenie, wciąż musimy się wiele nauczyć, a pokonywanie starego terenu może być równie przydatne, jak zdobywanie nowych horyzontów.
