ZNANSTVENICI su razvili novu tehniku koja se temelji na tehnologiji CRISPR-Cas koja bi mogla otvoriti sasvim nov pristup liječenju zatajenja srca, ali i brojnih drugih bolesti. Naime, umjesto da popravljaju pojedinačne štetne mutacije u stanicama ili da zamjenjuju stanice, liječnici bi novom metodom mogli poticati stanice srca da povećaju broj i učinkovitost mitohondrija, sićušnih staničnih struktura koje proizvode energiju.

Znanstvenici u svojem radu tvrde da su uspjeli izbjeći veliki problem s kojim su se istraživači susretali, a to je preopterećenje stanica pretjeranim brojem mitohondrija koje može završiti njihovim oštećenjem.

Novo istraživanje tima s Rice Universityja i Baylor Collegea of Medicine objavljeno je u časopisu Molecular Therapy. Ako se rezultati potvrde u daljnjim istraživanjima, nova bi strategija mogla otvoriti put terapijama za liječenje bolesti kod kojih stanice ostaju bez energije, prije svega za zatajenje srca koje pogađa desetke milijuna ljudi širom svijeta.

Što su mitohondriji?

Da bi se razumjelo zašto je novo otkriće važno, treba znati da u ljudskom tijelu energiju koja je stanicama potrebna za funkcioniranje u najvećoj mjeri stvaraju mitohondriji, organele koje se često nazivaju "elektranama stanice". Oni hranjive tvari pretvaraju u molekulu ATP (adenozin trifosfat), univerzalnu energetsku "valutu" živih sustava.

Mitohondriji su evolucijski neobični. Smatra se da potječu od drevnih bakterija koje su prije oko dvije milijarde godina ušle u simbiozu s prvim eukariotskim stanicama i izgubile osobine koje su im omogućavale neovisno funkcioniranje. Oni i danas imaju vlastiti genom, mitohondrijsku DNA, koja je odvojena i različita od glavne DNA u jezgri stanice. Ta posebnost čini ih fascinantnima, ali i vrlo složenim za genetičko manipuliranje. Znanstvenici već godinama pokušavaju razviti alate za uređivanje mitohondrijske DNA jer su mutacije u tom genomu povezane s nizom bolesti, od neurodegenerativnih poremećaja do mišićnih distrofija.

Srce za života otkuca 3 milijarde puta

No srce je poseban slučaj. Za razliku od mnogih drugih organa, ono radi neprestano – svako stezanje troši energiju, a tijekom života čovjekovo srce otkuca više od tri milijarde puta. Zbog toga srčane stanice, kardiomiociti, sadrže izuzetno velik broj mitohondrija. Kada oni oslabe ili se njihov broj smanji, srce ulazi u stanje koje znanstvenici ponekad opisuju kao "energetsku krizu".

Mario Escobar, bioinženjer s Rice Universityja, prvi autor nove studije, kaže da je zatajenje srca u biti energetski problem.

"Ako uspijemo obnoviti kapacitet stanica da proizvode energiju, mogli bismo značajno poboljšati njihovu funkciju", rekao je za Phys.org.

Procjenjuje se da srčano zatajenje pogađa više od 60 milijuna ljudi u svijetu. U Hrvatskoj od zatajivanja srca boluje oko 80.000 do 100.000 ljudi, a svake godine od njega umre oko 9.000 ljudi.

Što je zatajenje srca?

Zatajenje srca je stanje u kojem srce više ne može dovoljno učinkovito pumpati krv da bi zadovoljilo potrebe organizma. Liječenje obično uključuje lijekove koji smanjuju opterećenje srca ili kirurške zahvate, ali ne postoji terapija koja izravno rješava temeljni metabolički problem stanica. Upravo tu nastupa nova tehnika.

Što je tehnologija CRISPR?

Tehnologija poznata kao CRISPR, ili CRISPR-Cas, koja je revolucionirala biologiju u posljednjem desetljeću, koristi se za uređivanje gena, odnosno za rezanje DNA na određenom mjestu uglavnom kako bi se neki gen uklonio, izmijenio ili zamijenio. Nju koriste bakterije kako bi izrezale dijelove genoma virusa koji ih napadaju kako bi ih kasnije prepoznale i lakše se obranile.

Međutim, u ovoj studiji znanstvenici nisu koristili CRISPR za klasično uređivanje gena. Umjesto toga, primijenili su varijantu tehnologije koja može regulirati aktivnost gena bez rezanja DNA.

Takav pristup često se naziva CRISPR aktivacija ili CRISPRa. Sustav koristi modificirani enzim Cas koji više ne reže DNA, nego djeluje kao svojevrsni molekularni prekidač - kada ga znanstvenici dovedu na određeni gen, on može potaknuti njegovo uključivanje.

Geni za mitohondrije

U ovom slučaju meta je bio genetski program koji kontrolira nastanak novih mitohondrija. Taj proces naziva se mitohondrijska biogeneza. Kada se ona aktivira, stanica počinje stvarati dodatne mitohondrije i povećavati proizvodnju energije.

Znanstvenici su već ranije pokušali povećati stvaranje mitohondrija, no to je često loše završavalo. Escobar kaže da su ranije strategije prisiljavale stanice da rade pod preopterećenjem, što je dovodilo do njihove disfunkcije.

"Naš pristup djeluje kroz prirodne regulatorne putove, pa stanice mogu povećati broj mitohondrija bez da se iscrpe", pojasnio je. Drugim riječima, umjesto grubog pritiskanja "gasa", znanstvenici su pokušali oponašati način na koji stanice same reguliraju vlastitu energetsku infrastrukturu.

U laboratorijskim eksperimentima na srčanim stanicama tim je pokazao da takav pristup doista povećava broj mitohondrija i poboljšava njihovu funkciju. To znači da stanice proizvode više goriva ATP-a i učinkovitije upravljaju energetskim zahtjevima.

Kontrolirano povećanje broja mitohondrija

U novoj studiji ključno je bilo to što povećanje nije bilo nekontrolirano. Stanice su se zaustavile na razini koju znanstvenici smatraju "optimalnom", što sugerira da se aktivirao prirodni mehanizam samoregulacije.

U kontekstu srčanog zatajenja to bi moglo biti presudno. Kod mnogih pacijenata problem nije samo oštećenje tkiva nego i pad energetske učinkovitosti stanica. Ako bi se taj deficit mogao ispraviti, srce bi moglo ponovno dobiti dio izgubljene snage.

Ovo nije prvi pokušaj da se mitohondriji uključe u terapiju bolesti. Posljednjih godina znanstvenici istražuju razne strategije – od prijenosa mitohondrija iz zdravih stanica do izravnog uređivanja mitohondrijske DNA. No manipuliranje mitohondrijskim genomom izuzetno je teško.

Jedan od razloga je što je CRISPR izvorno dizajniran za rad u staničnoj jezgri. Da bi uređivao mitohondrijsku DNA, sustav mora ući u mitohondrij, a to je molekularni izazov jer mnoge molekule RNA, ključne za CRISPR, teško prolaze kroz njegovu membranu. Zbog toga su znanstvenici razvijali alternativne alate, poput tzv. base editora koji mogu promijeniti pojedina slova u DNA bez rezanja molekule.

Aktiviranje gena za mitohondrije

U novom istraživanju znanstvenici su išli drugim putem. Umjesto da izravno uređuje mitohondrijsku DNA, aktivirali su gene u staničnoj jezgri koji upravljaju proizvodnjom mitohondrija.

To je elegantnije rješenje jer većina proteina potrebnih za funkcioniranje mitohondrija ionako potječe iz jezgrine DNA. Drugim riječima, stanica već ima sav potreban genetski "softver" – samo ga treba pravilno uključiti.

Tim koji je objavio rad ipak ističe da je njihovo istraživanje u ranoj fazi razvoja. Eksperimenti su za sada provedeni na staničnim modelima, a u sljedećem koraku metoda će se testirati na životinjskim modelima srčanog zatajenja.

Ako se koncept potvrdi, metoda bi se mogla koristiti za razne bolesti, od zatajenja srca, preko neurodegenerativnih bolesti poput Parkinsonove i Alzheimerove bolesti do poremećaja povezanih s disfunkcijom mitohondrija.