U PRIRODI brojne životinje, osobito neki vodozemci, imaju urođenu sposobnost obnavljanja oštećenih tkiva ili čak organa i dijelova tijela. Primjerice, poznato je da daždevnjacima mogu izrasti cijeli odsječeni udovi. Ova činjenica potaknula je znanstvenike iz različitih područja da pokušaju istražiti bi li se slični mehanizmi mogli koristiti u liječenju ljudi kojima trebaju transplantacije tkiva ili organa.
U popularnim, ali i znanstvenim medijima širom svijeta posljednjih je godina objavljeno cijelo mnoštvo članaka o raznim tehnologijama koje se razvijaju na tom tragu, osobito o tzv. 3D bioprintanju – tehnici u kojoj se 3D printeri koriste za kombiniranje stanica, faktora rasta i biomaterijala u stvaranju tkiva ili dijelova organa.
Čvrste veze s Hrvatskom
Kako sam i sam u nekoliko navrata pisao o tome, iskoristio sam priliku konferencije EuroScience Open Forum (ESOF) koja se od 9. do 14. srpnja održavala u Toulouseu u Francuskoj da saznam nešto više. Toj temi bilo je posvećeno predavanje intrigantnog naslova 'Možemo li učiniti da ruka ponovno izraste?' u kojem je, među ostalima, sudjelovao sistemski biolog dr. sc. James Sharpe, jedan od vodećih stručnjaka za organogenezu.
Kada sam, nakon izlaganja, prišao Britancu s adresom u Barceloni i zamolio ga za intervju, on je spremno i sa smiješkom odgovorio:
„Rado ću vam dati intervju, posebno jer mi je supruga Hrvatica.“
Ubrzo se uspostavilo da to nije njegova jedina poveznica s našom zemljom. Naime, ne samo da često ljetuje u Hrvatskoj, što je nekako bilo za očekivati, nego se pokazalo da dijelimo i neke zajedničke prijatelje.
„Poznajem molekularnog biologa Kristiana Vlahovičeka koji je s mojom suprugom svojevremeno boravio na istom sveučilištu u Trstu. On piše kolumne za jedan hrvatski portal“, rekao je.
„Znam ga i ja. Štoviše, upravo sam ga ja pozvao da piše za portal Index za koji radim ovaj intervju“, uzvratio sam, na što smo se obojica nasmijali činjenici da je svijet uistinu mali.
Printanje organa – realnost ili SF?
Pitao sam ga vjeruje li da bi se 3D printanjem i sličnim tehnikama ikada mogli stvoriti funkcionalni organi ili je to samo znanstvena fantastika.
„Mislim da je u medijima stvorena slika da bi printeri mogli doslovno stvarati organe – da bi mogli smjestiti stanice na prava mjesta čime bi nastali organi spremni za transplantaciju“, rekao je pa pojasnio da takav pojednostavnjeni pristup baš nije vjerojatan iz različitih razloga.
„Prije svega tu su problemi velikih dimenzija i održavanja tkiva na životu. Trenutno su vrlo popularni tzv. organoidi, maleni modeli tkiva organa. No oni nisu veći od jednog milimetra jer nemaju opskrbu krvlju. Ako neko tkivo želite održavati na životu, bilo u tijelu ili izvan njega, potrebna vam je opskrba krvlju. Stoga printanje organa nikada neće biti moguće ako zajedno s tkivima nećemo printati i krvožilni sustav koji će odmah početi pumpati i hraniti stanice. Međutim, to izgleda jako komplicirano za izvesti.“
Stanice ne sjede tamo gdje ih posjednemo
Sharpe ipak smatra da nikada ne treba reći nikada jer će tako nešto u daljoj budućnosti možda postati moguće. No na kratke staze znanstvenici neće moći samo smjestiti prave stanice na prava mjesta u očekivanju da će na taj način nastati funkcionalni organi.
„Mislim da je 3D printanje vrlo korisno za razne svrhe, među ostalim, za stvaranje svojevrsnih kalupa organa. Stanice u prostor oko sebe izlučuju proteine koji stvaraju nešto poput kostura koji organima daju oblik koji pomaže da se same stanice pravilno razmjeste u oblik koji odgovara nekom tkivu ili organu. Nakon što se isprinta takav kostur, u njega se mogu posijati stanice na odgovarajućim položajima. 3D printeri također će biti korisni za istraživanja. Primjerice, možemo proučavati što će se događati nakon što isprintamo stanice na određenim mjestima. One će se vjerojatno početi premještati. To je upravo jedan od problema. Naime, stanice nisu inertni objekti koji će ostati sjediti tamo gdje ih postavimo. One su aktivni, dinamični, mali strojevi koji će se kretati uokolo, ako nisu zadovoljni mjestom na koje smo ih postavili. Dakle, ako printamo tkivo, ono će se reorganizirati. Uspjeh te metode ovisit će o mnogim stvarima koje moramo razumjeti, a jedna od njih je kako se stanice samoorganiziraju, što one i kako žele raditi. Dakle, tu imamo dvije krajnosti – jedna je da mislimo da će stanice ostati tamo gdje ih postavimo, a druga da će se stanice potpuno same organizirati. U realnosti bi morala postojati neka mješavina tih krajnosti. Postavljanje stanica 3D printerima bit će vrlo korisno, no nije jako vjerojatno da ćemo jednostavno moći printati organe.“
Do kuda smo stigli?
Sharpe kaže da se stvari u tehnologiji tog područja toliko brzo mijenjaju da je teško jasno reći do kuda smo stigli - što već sada možemo, a što još uvijek ne. Novi rezultati novih studija stižu svakodnevno.
„Primjerice, matične stanice već se koriste za liječenje oštećenja na mišićima srca. Iz jedne perspektive to funkcionira, no s druge strane ne onako kako smo očekivali. Funkcionira u smislu da matične stanice možemo integrirati u oštećena tkiva. No istovremeno ne funkcionira dovoljno dobro jer se to tkivo ne transformira u potpuno zdravo tkivo srca. Naime, matične stanice na takvim mjestima preuzimaju svojstva fibroznog, vlaknastog tkiva kakvo se obično stvara na mjestima oštećenja i ožiljaka i ne djeluje naročito funkcionalno. S druge strane postoje određeni sjajni prodori u kojima su znanstvenici uspjeli potaknuti stanice da se same iscjeljuju. Nažalost, često su potrebne godine da vidimo hoće li takve tehnike djelovati jer ne možemo znati hoće li one postati trajno rješenje ili će samo izgledati dobro na nekoliko mjeseci. Trenutno imamo obećavajuće rezultate u regeneraciji tkiva mrežnice oka.“
Stručnjaci očekuju da će rezultati najprije stići u područjima liječenja koja zahtijevaju jednostavnije procedure kao što je obnova jednog tkiva za koju će trebati samo jedna vrsta stanica.
„Primjer su neki oblici dijabetesa za čije će liječenje trebati povećati broj jedne vrste stanica, tzv. beta stanica, koje stvaraju inzulin. Slično se može učiniti u slučaju liječenja mrežnice oka gdje je ozlijeđena jedna vrsta stanica. Druga krajnost bila bi regeneracija cijelog organa ili dijelova tijela poput ruke koja se sastoje od mnogo različitih vrsta stanica.“
Posebno je zanimljiv slučaj tkiva sastavljenih od stanica koje mogu obavljati svoju funkciju neovisno o drugim stanicama koje ih okružuju.
„Postoje čak naznake da neke od takvih stanica ne moraju nužno živjeti na mjestima na kojima uobičajeno žive. Primjerice, beta stanice čak ne moraju nužno biti smještene u gušterači, mogu se smjestiti na drugim mjestima u tijelu. Ako ondje mogu sretno živjeti i stvarati inzulin, to će biti sjajno iako to nije potpuno prirodno rješenje“, kaže Sharpe.
Zašto sisavci ne regeneriraju organe?
U predavanju je bilo govora o tome da ljudi, baš kao i sisavci generalno, za razliku od vodenjaka, imaju određene gene koji sprječavaju obnovu zdravog tkiva i umjesto toga potiču stvaranje fibroznog tkiva koje zacjeljuje rane. Iz toga proizlazi da je prioritet za ljudski organizam zarastanje i spašavanje života, a ne regeneracija. To nameće pitanje je li kod sisavaca uopće moguće umjetno potaknuti regeneraciju.
„O tome zašto sisavci ne regeneriraju organe postoje različite hipoteze. Jedna prominentna jest da su tako evoluirali naši imunološki sustavi i odgovori na oštećenja. Mi imamo sklonost da stvaramo fibrozna tkiva koja nam omogućuju da vrlo brzo zatvorimo rane i zaustavimo krvarenje. Drugim riječima naša evolucija odabrala je taj put. Nažalost, to ne znači nužno da možemo ponovno početi regenerirati dijelove tijela ako potisnemo fibroznu reakciju. Naime, moguće je da smo negdje na našem evolucijskom putu izgubili selektivni pritisak da održavamo određene gene i mehanizme koji su neophodni za regeneraciju. Budući da smo prestali s regeneracijom, takvi su nam geni mogli postati nepotrebni. Na pitanje je li to uistinu tako, za sada još uvijek nemamo odgovora. Postoji mogućnost da se neki naši uspavani potencijali za obnavljanje ipak mogu probuditi. To je nešto što tek trebamo istražiti“, objasnio je Sharpe.
Zašto su matične stanice podbacile?
U medicinskim znanostima posljednjih se desetljeća velika nada polagala na mogućnost da bi se u liječenju oštećenja organa mogle koristiti tzv. pluripotentne matične stanice, osobito embrionalne. To su stanice koje imaju sposobnost pretvoriti se u različite stanice različitih tkiva. Znanstvenici su stoga pokušali takve stanice usaditi na mjesta na kojima je u organima došlo do oštećenja. No neka od tih nastojanja nisu dala očekivane rezultate. Primjerice, pokazalo se da će se matične stanice kada se rasporede na mjesta u mišićima srca koji su oštećeni srčanim udarom pretvoriti u fibrozno tkivo karakteristično za ožiljak, a ne u zdravo tkivo srca. Sharpe tumači da je problem, među ostalim, u tome što se srce odrasle osobe i srce embrija značajno razlikuju.
„Kada na ozlijeđeno mjesto postavite matične stanice to očito nije isti scenarij kakav postoji u srcu embrija. U srcu odrasle osobe one neće biti okružene embrionalnim tkivom već tkivom odrasle osobe. Ako imamo srce vrste koja nema sposobnost regeneracije vlastitih tkiva, kao što je čovjek, onda ne postoji razlog, odnosno mehanizmi zbog kojih bi se organ obnavljao. Naime, regenerativna medicina u tom smislu pokušava učiniti nešto što u biti nije normalno, pokušava natjerati stanice da se ponašaju kao da se i dalje nalaze u zametku u kojem bi one prirodno gradile tkivo srčanog mišića. Postoji mogućnost da ćemo uspjeti potaknuti takve stanice da ipak prorade, a postoje i određeni znaci koji obećavaju. Nedavno sam saznao da su znanstvenici uspjeli potaknuti vlastite stanice bolesnika, umjesto embrionalnih, da dođu u stanje koje je sklonije regeneraciji i počnu ozdravljati tkivo. To je također povezano s jednim drugim područjem, a to je homeostaza tkiva. Mnoga ljudska tkiva tijekom života se sama obnavljaju. Stanice u njima umiru i stvaraju se nove. To je prirodan proces. Trebalo bi pronaći nešto između dvije krajnosti – između toga da imamo stare stanice koje se ne uspijevaju regenerirati i toga da usađujemo vrlo mlade fetalne stanice koje se teško prilagođavaju okolini. Potrebno je još mnogo istraživanja da vidimo koje su opcije optimalne.“
Za nešto mehanika, za drugo biologija
Sharpe ističe da se različite tehnike regenerativne medicine mogu različito razvijati ovisno o organima. U nekim slučajevima prednost se može dati umjetnim mehaničkim rješenjima, dok u drugima regeneracija može biti bolja opcija. Ponekad je mehaničko rješenje bolje i zbog toga što je mnogo brže. Primjerice, pitanje je koliko bi imalo smisla regenerirati velike i složene dijelove poput udova. Za njihov razvoj iz nekih matičnih stanica, čak i kada bi bio moguć, možda bi nam trebale godine, dok se mehanički mogu vrlo brzo ugraditi.
„Problemima možemo pristupati različito od slučaja do slučaja. Primjerice, kada je u pitanju vrlo složeni mehanički dio poput ruke, možda je bolje rješenje razvijati mehaničke zamjene. Kada je pak riječ o unutrašnjim organima, bolje je zamijeniti njihove dijelove biološkim tkivima stvorenim uz pomoć tehnologije. Dugoročno treba nastojati naći najbolja rješenja koja će najbolje ispunjavati potrebne funkcije, a to također može podrazumijevati da će razni dijelovi tijela biti sastavljeni od različitih bioloških i mehaničkih komponenti i njihovih mješavina. Primjerice, možda bi i za neke dijelove srca poput zalistaka najbolje bilo koristiti neke umjetne materijale, dok bi se mišići koji pumpaju mogli izgraditi od bioloških stanica. S vremenom bismo mogli doći do optimalnog kombiniranog rješenja.“
Svijetla računalna budućnost
Sharpe smatra da bi dva područja njegovog interesa – biologija i računalno modeliranje - u budućnosti mogli naći snažniju združenu primjenu u regenerativnoj medicini, kako u istraživačkom radu, tako i u praktičnoj primjeni stečenih spoznaja.
„Htio bih naglasiti da je za nas znanstvenike važno razumjeti kako višestanična tkiva i organi funkcioniraju. Jedna stvar koja još nije ušla u to područje koliko se nadam da hoće jest računalno modeliranje. Naime, računalne simulacije trebale bi nam omogućiti da razumijemo složene dinamične procese u biologiji, osobito u tom području – kako se tkiva i organi stvaraju, kako se održavaju i regeneriraju. Mislim da neće biti moguće razviti dobro shvaćanje tih sustava ako sve temeljimo samo na eksperimentima i prikupljanju podataka. Moraju postojati i druga rješenja kao što je izgradnja simulacija složenih dinamičnih sustava kako bi se shvatila logika kontrole sustava“, zaključio je Sharpe.
Biografske crtice
Sharpe je 2017. postao najmlađi direktor na European Molecular Biology Laboratory (EMBL) u Barceloni, što već samo po sebi govori o njegovu znanstvenom kalibru. Bavi se razvojnom sistemskom biologijom, odnosno istraživanjima koja pokušavaju razotkriti kako nesavršeni sustavi poput bioloških stanica mogu proizvesti organe točno definiranog oblika poput ruku, nogu, prstiju itd. U svojem radu koristi računalne simulacije i modeliranje koji su, uz biologiju, drugo područje njegove stručnosti. Spoj znanja biologije i računalnog modeliranja omogućio mu je da, sasvim samostalno, razvije revolucionarnu metodu svjetlosne mikroskopije, tzv. Optičku projekcijsku tomografiju, koja se sastoji od računalne rekonstrukcije niza slika snimljenih optičkim mikroskopom iz različitih uglova. Ta tehnika omogućila je prostorni prikaz finih organskih struktura, što je do tada bilo nemoguće. Sharpe ju je razvio za potrebe vlastitih istraživanja jer je bio frustriran nesavršenostima do tada postojećih mikroskopskih slika. No za to otkriće, objavljeno 2002. godine u časopisu Science, dobio je mnoge nagrade, a uređaj je uspješno patentirao. 2010. bio je gostujući predavač na simpoziju EMBO YIP u Zagrebu.