„Niekedy si myslíte, že to dvakrát zväčšíte, a ono sa vám to trikrát zmenší,“ hovorí chemička a biofyzička Alexandra Zahradníková. Pracuje na Oddelení pre výskum svalových buniek na Ústave molekulárnej fyziológie a genetiky SAV a skúma, čo riadi naše srdce na bunkovej úrovni.
Ste pôvodne chemička. Ako sa chemik dostane k skúmaniu srdca?
„V mojom prípade to bola náhoda. Skončila som Chemicko-technologickú fakultu v odbore anorganická, analytická a fyzikálna chémia. Zaoberala som sa anorganickými látkami, ako tvoria komplexy, ako sa spájajú a rozpájajú v roztokoch. Vtedy som si myslela, že to je úplne najlepšia vec a že to budem robiť celý život.
Nastúpila som na ašpirantúru na tej istej fakulte a pokračovala v experimentoch, ale začala som sa tiež zaoberať modelovaním rovnováh komplexov na počítači. Čo ma dosť oslobodilo.“
Prečo ste na fakulte nezostali?
„To sa vtedy nedalo, nebola som straníčka. Medzičasom som išla na materskú, potom mi štúdium trochu predĺžili, ale nakoniec povedali, že sa nedá nič robiť a že si musím nájsť inú robotu.
Ako mladá žena, mala som len 28, s kandidatúrou a dvomi deťmi som začala chodiť po rôznych ústavoch, pracoviskách a fabrikách a hľadať prácu. Nikde ma nechceli vziať – vraj budem stále doma s malými, chorými deťmi. Dokonca som bola sedem dní nezamestnaná. Potom ma vzal akademik Jozef Zachar na Centrum fyziologických vied SAV.“
Len tak?
V tom čase, bolo to obdobie extenzívneho rozvoja vedy na prahu perestrojky, akademik Zachar budoval laboratóriá zamerané na prenos vedy do praxe, vtedy to bola priorita strany.
Keďže manžel u neho už pracoval niekoľko rokov, tak sa dozvedel, že hľadám miesto. Prijal ma však riadnym pohovorom. Od docenta Valka z Katedry fyzikálnej chémie na fakulte som sa neskôr dozvedela, že si aj u neho overil, čo som zač.
Akademik Zachar bol veľmi mocný, pretože bol stranícky funkcionár a to mu neskôr veľmi zazlievali. Ale videl veľmi ďaleko dopredu a snažil sa – aj keď dosť nátlakovými metódami – svoje vízie realizovať.
Čo ste robili?
„Najskôr to bola biochémia. Vyvíjali sme glukózový senzor, teda zariadenie, ktoré dokázalo veľmi rýchlo zmerať koncentráciu glukózy v krvi. To vtedy nebolo úplne bežné, a navyše, prístroje sa vtedy nedali príliš dovážať zo zahraničia, takže sme tu mali aj dielne, ktorých cieľom bolo prípadne vyrábať prístroje pre lekárov.
S pomocou rôznych ľudí, ktorí ma naučili čiastkové metódy, sa mi podarilo vyrobiť prototyp takéhoto senzora. Aj sa nám ho podarilo odskúšať, dnes by sme povedali že prešiel testom realizovateľnosti
Ale?
„Toto trvalo asi rok. Medzičasom však bola v Nemecku objavená metóda „patch clamp“, a náš šéf si uvedomil, že je prelomová, že je potrebné túto metódu používať. A nemýlil sa – autori tejto metódy za ňu dostali už o desať rokov Nobelovu cenu.
Koncom roku 1983 si akademik Zachar môjho manžela a mňa zavolal do svojej pracovne a povedal nám, že sa rozhodol nás preradiť na novú úlohu, a že do roka máme postaviť a zabehnúť metodiku „patch clamp“ na našom pracovisku.“
A postavili ste?
„Vtedy sa nič nedalo kúpiť, tak sme to museli postaviť z jednotlivých súčiastok.“
Len tak, na kolene?
„Sami, aj keď samozrejme nie len my dvaja. Mali sme ešte štyroch chalanov, ktorí sa zaoberali elektronikou a počítačovým hardvérom a softvérom. A neskôr sme si zavolali aj mladého kolegu z Ukrajiny, ktorý nám vyrobil inteligentný terminál z vtedajších počítačov, aby sme experiment vôbec vedeli riadiť.“
Živé srdce
Dnes ale skúmate srdce.
„Srdcové bunky vtedy ešte neboli dostupné na experimenty. Ľudia ich nevedeli izolovať tak, aby zostali živé. S manželom nám však bolo jasné, že by boli ideálnym objektom štúdia pre tú novú metódu patch-clamp. Podarilo sa nám vypracovať metódu ich izolácie v našich podmienkach, mimochodom, doposiaľ to nie je vo svete bežné, a presadiť ich výskum na našom ústave.“
A keď získate srdce a idete s ním pracovať, nie je už mŕtve?
„Ta otázka je trochu zvláštna v tom, že smeruje k inej: Čo je to vlastne život? To stále nie je dobre definované. Ale všetky znaky života okrem rozmnožovania srdcové bunky majú aj mimo organizmu. Existujú však tkanivové kultúry, ktoré pochádzajú zo srdcových svalových buniek, ktoré sa vedia rozmnožovať.
Len, bohužiaľ, zároveň sa museli vo svojom vývojovom štádiu akoby vrátiť naspäť a už sa nepodobajú na bunky, ktoré v srdci vytvárajú kontrakciu. Nie sú vhodné na naše pokusy, ktorých cieľom je spoznať, ako zabezpečujú prácu dospelého srdca. Musíme preto robiť na čerstvých bunkách, ktoré nepostrádajú žiaden znak života.“
Takže orgán ako taký je odobraný a nefunkčný, no samotné bunky žijú?
„Žijú, lebo žije aj odobrané srdce. Keď srdce vyberieme z organizmu a pripojíme na takzvaný Langendorffov prístroj, tak dokáže normálne biť po dlhú dobu. A ľudia, ktorí sa zaoberajú fyziológiou celého srdca, dokážu na takomto srdci robiť veľmi významné experimenty.
Dokážu sledovať, ako vyvíja tlak, ako reguluje tep. Principiálne funkcie sa zachovávajú ešte niekoľko hodín, ak srdcu dodávame živiny roztokom, ktorým ho premývame.“
Môžeme takéto srdce aj zamraziť alebo nadlho uskladniť, a potom ho vybrať a prinútiť ho fungovať?
„V podstate áno, na niekoľko hodín. To sa napokon robí pri transplantácii srdca. Vyberie sa od darcu, dá sa do špeciálneho studeného roztoku – ale nesmie sa zamraziť. Keď sa zamrazí, celý orgán zahynie. Jednotlivá bunka sa môže zamraziť, ale celé srdce nie.“
Aj u vás platí ako v prípade transplantácií, že sa všetko musí odohrať veľmi rýchlo?
„Áno, na prístroj musíme srdce pripnúť rýchlo. Najväčším zabijakom je nedostatok kyslíka. To je podobné, ako keď máte infarkt: urobí sa vám zrazenina a prestane pretekať krv, ktorá dodáva nielen živiny, ale aj kyslík, ktorý je v krátkodobom horizonte najdôležitejší.
Preto aj my musíme pri izolovaní buniek premývací roztok prebublávať kyslíkom. Len čo sa prísun kyslíka zastaví, začnú procesy, ktoré bunkám škodia.“
Čo teda urobíte?
„Najskôr uspíme zviera. Vyberieme z neho srdce a to musíme do pol minúty zavesiť na Langendorffov aparát a začať ho premývať roztokom, ktorý je nasýtený kyslíkom, aby sa nepoškodilo. Inak, ak by aj prežilo, jeho bunky by nemali tie vlastnosti, aké mali v organizme.“
Máme srdce na aparáte. Čo sa s ním deje potom?
„Potom sú tu tri fázy premývania roztokmi. Pripojí sa cez aortu, tade normálne krv vyteká zo srdca do tela, na Langendorffov aparát, ktorým privádzame do srdca špeciálne roztoky. Musíme dať pozor, aby sme nepoškodili chlopňový systém. Cez aortu vteká živný roztok do koronárnych ciev, a potom do menších cievočiek – vlásočníc.
Tak sa dostane až k bunkám. Najskôr podávame fyziologický roztok, ktorý je príbuzný krvnej plazme, len v ňom nie sú bielkoviny a hormóny. Aj keď krv vymyjeme, srdce stále spontánne bije. Potom prepneme do roztoku, v ktorom nie je vápnik – čo má dva významné dôsledky.“
Aké?
„Srdce pre svoju prácu potrebuje ióny vápnika, bez nich sa ihneď zastaví. Navyše, keď vápnik odstránime, zoslabia sa kontakty medzi bunkami. Takže keď chceme bunky oddeliť od seba, nie sú už tak namáhané. Toto vidíme, srdiečko sa zastaví, zmení farbu na jemno ružovú a zvláčnie.
Nakoniec prepneme do ďalšieho roztoku s obsahom enzýmu, ktorý rozkladá kolagén spájajúci jednotlivé bunky – sú kolagénom akoby zrastené. Bunky sa od seba uvoľnia a potom sa veľmi jemným mechanickým pôsobením pomocou sklenenej pipety od seba oddelia.“
Ako vápnik riadi údery
Toto všetko je príprava. Čo je váš samotný výskum?
„Sledujeme deje, ktoré sa volajú vápniková signalizácia. Tie spôsobujú, že bunka sa môže stiahnuť. Samotný sťah srdca, ktorý nám pumpuje krv, vzniká tým, že nejakým regulovaným spôsobom sa všetky bunky v stene srdcovej komory v správnom poradí stiahnu. Tým vznikne vlna kontrakcie, ktorá vytlačí krv.“
Toto je jeden úder srdca?
„Áno. Keď sa srdce sťahuje, je to systola. Keď sa srdce relaxuje, to je diastola. A my sledujeme na izolovaných srdcových svalových bunkách vtok vápnikových iónov do bunky a ich presun medzi vnútrobunkovými zásobníkmi a cytoplazmou. Niektoré procesy sledujeme až na úrovni jednotlivých molekúl.
Pritom vápnik, hoci je životne dôležitý pre srdce, pre jeho bunky, obzvlášť svalové, môže byť aj veľmi nebezpečný.“
Prečo?
„Pretože keby boli bunky vystavené vysokému vtoku vápnika do ich cytoplazmy po dlhšiu dobu, tak by sa energeticky vyčerpali a až by napokon zahynuli. Svalové bunky sú zvyknuté na to, že vápnik je zvýšený len mierne a maximálne na zlomok sekundy, pokiaľ prebieha kontrakcia.“
Tento vápnik je kľúčová vec pri riadení činnosti srdca. Odkiaľ k nemu bunky prídu?
„Vápnik je prvok, ten sa nedá niekde len tak vyrobiť. Možno tak v atómovom reaktore. Telesné bunky ho musia prijať s potravou. Vápnik, ktorý svalové bunky používajú na kontrakciu, je uskladnený v miniatúrnych vnútrobunkových zásobníkoch.
Do prostredia kontraktilných filamentov v bunke sa uvoľní prostredníctvom spomínaných vápnikových signálov cez špecializované molekuly – ryanodínové receptory, vtedy dôjde ku kontrakcii bunky. My identifikujeme molekulové mechanizmy, ktoré riadia uvoľňovanie vápnika, a tým rýchlosť, frekvenciu a silu kontrakcie.“
K čomu môže viesť pochopenie tejto vápnikovej signalizácie?
„Náš vedecký záujem je odhaliť molekulové princípy, na ktorých to celé funguje. Bez pochopenia týchto princípov sa nedá robiť liečba porúch kontraktilnej funkcie srdca.“
Akých porúch?
„Je ich viacero typov, ale prejavy sú dva. Ak je srdce dlhodobo preťažené, dochádza k jeho zlyhaniu. Srdce nevládze čerpať, je silne zväčšené, ale paradoxne má slabú kontrakciu. Relatívne nedávno sa zistilo, že aj tu hrá úlohu vápniková bilancia.
Okrem zmien mechanických vlastností a ďalších zmien na úrovni celého srdca je problémom, že bunky nemajú v zásobníkoch dostatočné množstvo vápnika. A zlý koncentračný profil vápnika počas kontrakcie vedie k slabému sťahu srdca.
Zistilo sa, že nielen množstvo vápnika v zásobníkoch, ale aj jeho uvoľňovanie je narušené. Len nie je jasné, čo je vajce a čo sliepka – teda ktoré zmeny sú príčinou a ktoré následkom.“
A to druhé je čo?
„Arytmia. Normálne svalové bunky srdca fungujú tak, že príde na ne elektrický vzruch, zapôsobí na bunky, vápnik sa uvoľní zo zásobníkov, bunka sa skráti – skontrahuje. Následne sa vápnik načerpá späť do zásobníkov a bunka sa dostane späť na diastolu, predĺži sa na pôvodnú veľkosť.
Voláme to kontrakčno-relaxačný cyklus, ktorý prebieha rytmicky a prejavuje sa pravidelnou akciou srdca. Niektoré ochorenia vedú k poruche pravidelného rytmu, ktoré v krajnom prípade vedú k poklesu až zastaveniu pumpovania krvi. Niektoré druhy arytmií začnú tak, že sa vápnik začne uvoľňovať spontánne, bez spúšťacieho elektrického vzruchu.
Bunka sa snaží tento vápnik vytlačiť do vonkajšieho prostredia, ale tento proces môže vyvolať spontánny elektrický vzruch, ktorý môže byť základom arytmie. Obzvlášť nebezpečné je, ak sa stane na takom veľkom počte buniek, že sa to prejaví na celom srdci. K poruchám tohto typu majú často sklon bunky zlyhávajúceho srdca, ktoré môžu byť spôsobené poruchou metabolizmu.
Pri niektorých mutáciách ryanodínových receptorov dochádza k neočakávaným poruchám srdca aj u inak zdravých jedincov, verejnosti sú známe ako náhla srdcová smrť, ku ktorej dochádza pri vysokom emočnom alebo fyzickom strese. Dnes sa vie asi o stovke takýchto mutácií.“
Akoby sme poznali všetko
Kedysi ľudia verili, že srdce je sídlom duše. Ako veľmi ho poznáme dnes?
„Ja si myslím, že svet vo všeobecnosti poznáme málo. Ešte možno fyzikálny už trošku poznáme. Ale v úrovniach pochopenia sa dá ísť ďalej, a podľa predchádzajúcich skúseností to prinesie veľké dobro pre človeka – ak sa poznanie využije správne.
Na biologickej úrovni sa toho vie ďaleko menej ako na fyzikálnej. V učebniciach sa píše tak, že študent má dojem, akoby sme všetko poznali. My pritom často vieme len opísať následnosť dejov, no ich molekulový mechanizmus v skutočnosti poznáme len veľmi málo. Akonáhle sa do čohosi začnete hlbšie vnárať, zistíte, že tam máte nevysvetliteľné paradoxy.“
Aké?
„Napríklad v našom prípade máme na jednom miestočku, kadiaľ vychádza vápnik zo zásobníkov, povedzme stopäťdesiat ryanodínových receptorov. O nich sa vie, že sa otvárajú tým viac čím je v cytoplazme viac vápnika. To by znamenalo, že len čo sa otvorí jeden z nich a začne vypúšťať vápnik, čochvíľa máme v cytoplazme veľa vápnika a všetky ryanodínové receptory by sa mali otvoriť.
Lenže keď sa zmeralo, koľko vápnika vyteká a koľko tečie cez jeden receptor, ukázalo sa, že otvorených je len sedem, osem z nich. Ako môže byť naraz aj viac než sto a zároveň sedem? To predsa nie je možné.“
A je?
„Tu sme zistili úlohu horčíkových iónov, ktorých je v bunke omnoho viac než vápnikových a doposiaľ boli považovaný za inertné, hoci sú podobné vápnikovým iónom. Sú však pomalšie a trvá im dlho, kým sa odviažu z ryanodínového receptora, na ktorom sedia počas diastoly.
Spôsobuje to, že sa otvoria iba tie receptory, z ktorých sa horčík stihol odviazať. A vysvetlili sme tento paradox: keby sa ryanodínové receptory dostali do rovnováhy, tak by to bola pravda – otvorili by sa všetky. Lenže do tej rovnováhy väčšina receptorov nedôjde, lebo systola trvá len krátko.“
Príroda plná prekvapení?
„Biológovia nie sú veľmi zvyknutí na tieto veľmi veľké nerovnováhy. Nefunguje to tak, že keď príčinu dvakrát zväčším, tak aj dôsledok bude dvakrát zväčšený. Niekedy sa dôsledok zväčší dvadsaťkrát a inokedy sa trikrát zmenší. To čo vyzerá v biológii ako paradox, môžu vysvetliť fyzikálne a chemické zákonitosti, ak ich poznáme. Tu sme mali ako tím výhodu.
Máme na veľmi dobrej úrovni experimentálnu aj teoretickú stránku riešenia. Preto sme dokázali vysvetliť experimentálne zistenú skutočnosť modelom založeným na všeobecne známych fyzikálno-chemických zákonitostiach.“
To sa podarilo. A čo by ste ešte zistiť chceli?
„Nedávam si veľké ciele. Keby som chcela objaviť niečo „veľké“, robila by som v inej oblasti. Tu sú zásadné princípy známe, no neznáme sú tie detaily. No, ako sa hovorí, „diabol je v detailoch“, a preto sa zatiaľ napríklad nedajú vyvinúť dostatočne dobré liečivá.
Veľmi by ma potešilo, keby sa mi podarilo prispieť k poznaniu súvislostí medzi funkčnými vlastnosťami ryanodínového receptora, ktoré sme opísali, a jeho molekulárnou štruktúrou. Na tomto probléme spolupracujem s kolegami z Ústavu molekulárnej biológie SAV.“
