Vedci našli spôsob, ako sa pomocou ultrazvuku „porozprávať“ s geneticky upravenou baktériou žijúcou hlboko v črevnom trakte.
Predpokladajú, že tento objav sa časom uplatní aj pri liečbe mnohých ľudských chorôb vrátane rakoviny.
Nemci vytvorili open source paradajku a obilie Čítajte Čaká nás teda pokrok v medicíne spojený s principiálne novým spôsobom zobrazovania baktérií vo vnútorných orgánoch a živých tkanivách?
Americkí vedci z prestížneho Kalifornského technického inštitútu (Caltech) sa nazdávajú, že by to tak mohlo byť. O svojom výskume informovali v britskom týždenníku Nature.
Baktéria ako riadená ponorka
V sci-fi filme Harryho Kleinera Fantastická cesta (1966) sa atómová ponorka aj s posádkou zmenší na veľkosť baktérie. Lekári ju vstreknú do tela vedca, ktorý dostal embóliu, aby ich miniaturizovaní kolegovia mohli laserom opraviť krvnú zrazeninu v jeho mozgu.
Film ako celok, samozrejme, zostáva vo sfére sci-fi aj po polstoročí. Vedci z Kalifornského technického inštitútu v Pasadene (Kalifornia) však urobili prvý krok k tomu, aby sa stala realitou aspoň časť príbehu, ktorý neskôr stvárnil aj slávny Isaac Asimov.
Vytvorili totiž bakteriálne bunky, ktoré dokážu odrážať ultrazvukové vlny. Konečným cieľom je zaviesť takto geneticky upravené baktérie do tela pacienta, napríklad spolu s probiotickými baktériami, ktoré pomáhajú liečiť črevné choroby, alebo spolu s cielenou liečbou rakovinových nádorov.
Následné použitie ultrazvuku umožní overiť, či sa liečba dostala na správne miesto a funguje tak, ako má.
„Vytvárame také bakteriálne bunky, ktoré nám s pomocou odrazených zvukových vĺn dajú vedieť, kde presne v tele sa nachádzajú, podobne ako ponorka použije sonar v situácii, keď ju sleduje iná ponorka, aby zistila jej polohu,“ povedal vedúci výskumného tímu a spoluautor štúdie Mikhail Shapiro z Caltechu.
„Chceme, aby sme sa mohli baktérie opýtať: 'Kde si a ako sa máš?' Prvým krokom je naučiť sa zameriavať a zobrazovať bunky, ďalším krokom je naučiť sa s nimi komunikovať.“
Užitočné mikroorganizmy
Sonar sa v lekárstve používa bežne, no slúži na vyšetrenie väčších celkov. Myšlienka dostať sa pri zobrazovaní až na úroveň baktérií vyplýva z toho, že mnohé mikroorganizmy sú pre správne fungovanie organizmu nevyhnutné.
Napríklad probiotické baktérie zlepšujú prostredie v črevách, čím pomáhajú liečiť aj takú nepríjemnú chorobu, akou je syndróm dráždivého čreva.
Iné štúdie ukázali, že baktérie by sa mohli uplatniť aj pri cielenom zameriavaní a ničení rakovinových buniek.
Lekári však zatiaľ nedokážu zistiť, kde sa „liečivé“ baktérie nachádzajú a čím sa tam zaoberajú, ani im dať inštrukcie, čo majú robiť ďalej.
Bakteriálne bunky je síce možné zobraziť s pomocou svetla vďaka génu, ktorý určenú bunku označí zelenou fluorescenčnou bielkovinou; funguje to však iba vtedy, ak sa tkanivo vyberie z tela, lebo do hlbších štruktúr živého organizmu svetlo preniknúť nedokáže.
Shapiro sa preto rozhodol riešiť problém zameriavania a komunikácie s upravenou bunkou pomocou ultrazvuku. Prvý výrazný úspech zaznamenal pred šiestimi rokmi, keď zistil, že vodné baktérie majú bielkovinové štruktúry naplnené plynom, ktorý im pomáha udržať sa na hladine.
Vedec predpokladal, že tieto plynové mechúriky vedia odrážať zvukové vlny spôsobom, ktorý ich umožňuje rozlíšiť od iných typov buniek.
Ďalšou fázou výskumu bolo, že Shapiro a jeho tím dokázali zobraziť baktérie s plynovými mechúrikmi pomocou ultrazvuku v črevách a tkanivách živých pokusných myší.
Nasledujúcim cieľom bolo preniesť gény, umožňujúce vznik mechúrikov vo vodných baktériách, do inej baktérie. Horúcim kandidátom bola Escherichia coli, ktorá patrí k bežnej ľudskej črevnej mikroflóre a používa sa aj ako súčasť probiotík (má však taktiež veľa nebezpečných druhov).
„Chceli sme, aby sa E. coli naučila vyrábať plynové mechúriky vlastnými silami,“ hovorí Shapiro. „Bolo to naším cieľom odvtedy, čo sme si uvedomili ich veľký potenciál. Na ceste k tomuto cieľu sme však museli odstrániť niekoľko zábran. Keď všetko konečne zafungovalo, naše nadšenie bolo obrovské.“
Žeriav a tehly
Najväčšou výzvou pre tím bolo vyriešiť prenos genetickej „mašinérie“ potrebnej na to, aby E. coli začala produkovať plynové mechúriky. Najskôr vedci skúšali izolovať gény z vodnej cyanobaktérie druhu Anabaena flos-aquae, ktorá je súčasťou planktónu. Ani s touto výbavou však E. coli nedokázala vyrábať mechúriky.
Potom skúsili použiť gény z príbuzného druhu E. coli, teda z baktérie nazvanej Bacillus megaterium, žijúcej v najrôznejších prostrediach. Lenže opäť bez úspechu: plynové mechúriky síce vznikli, no boli príliš malé na to, aby dokázali efektívne odrážať zvukové vlny.
Nakoniec všetko zachránila myšlienka vyskúšať mix génov z oboch druhov. Vďaka nej sa E. coli konečne naučila vyrábať mechúriky a vytvárať si v nich dostatočne veľké zásoby plynu. Ani to však nebolo jednoduché.
“Dúfame, že v konečnom dôsledku urobí pre ultrazvuk to, čo urobil zelený fluorescenčný proteín pre techniky svetelného zobrazovania
„
Gény, kódujúce výrobu bielkovín potrebných na vytváranie plynových mechúrikov, totiž fungujú dvojakým spôsobom: môžeme si ich predstaviť buď ako tehly, z ktorých sa systém skladá, alebo ako žeriav, ktorý ich ukladá na správne miesto.
Vedci vyhrali svoj boj až v momente, keď si uvedomili, že E. coli potrebuje na vytváranie plynových mechúrikov tehly z Anabaena flos-aquae, a žeriav z Bacillus megaterium. Nasledujúci experiment ukázal, že takto geneticky upravenú E. coli možno s pomocou ultrazvuku zobraziť a lokalizovať v črevách pokusných myší.
„Toto je prvý zvukový gén, ktorý sa uplatní pri zobrazovaní ultrazvukom,“ hovorí Shapiro. „Dúfame, že v konečnom dôsledku urobí pre ultrazvuk to, čo urobil zelený fluorescenčný proteín pre techniky svetelného zobrazovania, a že prinesie skutočnú revolúciu v zobrazovaní buniek.“
Nová technika bude dostupná pre výskum na zvieratách už čoskoro. Využitie v medicíne pre ľudí si však vyžiada ešte veľa úsilia počas mnohých nasledujúcich rokov.
Bol by to však naozaj obrovský úspech, ktorý by priniesol nové možnosti liečby. Prelomové práce na objave a výskume zelenej fluoreskujúcej bielkoviny ocenili v roku 2008 Nobelovou cenou, pričom základná štúdia M. Chalfieho o zelenom proteíne patrí medzi 20 najcitovanejších vedeckých prác z oblasti molekulárnej biológie a genetiky vôbec.
Zaujímavé je tiež, že tento „zvukový“ výskum prichádza veľmi krátko po objave gravitačných vĺn, ktorý nám umožní vesmír nielen vidieť, ale aj počuť.
