Chemici pomohou biologům s popisem kmenových buněk

Vědci hledají nové způsoby, jak pochopit a popsat procesy v kmenových buňách.

Přidělit buňkám pomyslný čárový kód, který je bude identifikovat, chtějí výzkumníci z lékařské a přírodovědecké fakulty. Pomocí metod analytické chemie a pokročilých matematických metod zkoumají, do jaké míry mohou hmotnostní spektra různých buněčných typů a buněk v různých stavech sloužit k jejich identifikaci a popisu.

Jednotlivé buněčné typy a také buňky za různých fyziologických stavů se chemicky liší.

Většina buněk pod mikroskopem vypadá velmi podobně a je obtížné je rozlišit podle jejich morfologie, tedy stavby. Současné molekulárně-biologické metody většinou využívají pro charakterizaci buněk buď konkrétní sekvence DNA, nebo v nich hledají přítomnost konkrétních genů či proteinů (tzv. znaky čili markery). „Reálně je však poměrně složité zvolit z obrovského množství možných markerů právě ty, které pomohou biologům buňky jednoznačně charakterizovat nebo pochopit, co se ve zkoumaných buňkách děje,“ uvedl odborný asistent Ústavu histologie a embryologie Lékařské fakulty MU Petr Vaňhara.

„Vyšli jsme z představy, že se jednotlivé buněčné typy a také buňky za různých fyziologických stavů chemicky liší. Velmi citlivými a sofistikovanými analytickými metodami bychom pak měli být schopni tuto rozdílnost zachytit,“ popsal základní ideu mezioborového výzkumu Vaňhara. Na projektu spolupracují odborníci z lékařské fakulty pod vedením Aleše Hampla s týmem profesora Josefa Havla z Ústavu chemie Přírodovědecké fakulty MU.

Jako prostředek pro sledování rozdílů mezi buňkami si odborníci vybrali hmotnostní spektra buněk. Hmotnostní spektrometrie je metoda, která umožňuje sledovat složení a strukturu různých chemických látek na základě poměru jejich hmotnosti a náboje. Čím složitější jsou analyzované chemické sloučeniny a jejich směsi, tím složitější je pozorované hmotnostní spektrum. „Buňka je chemicky velmi složitá, takže i její hmotnostní spektrum je složité, ale může být unikátní pro danou buňku či vícebuněčnou strukturu,“ doplnil Vaňhara.

„Už se nám podařilo rozlišit od sebe za pomoci matematických analýz hmotnostní spektra různých typů buněk, zejména kmenových. S využitím umělých neuronových sítí a od nich odvozených matematických metod jsme tak schopni hmotnostní spektra třídit a přiřazovat k nim i konkrétní buněčné nebo tkáňové typy,“ uvedl Vaňhara.

Metoda může posloužit také k monitorování toho, jak se buňky mění například při dlouhodobé kultivaci v laboratoři, a přispět tak ke standardizaci práce s nimi. „Chceme vytvořit banku dat z hmotnostních spekter, která umožní přiřazovat ‚čárové kódy' buňkám různých kvalit, případně různých typů,“ uvedl garant projektu Aleš Hampl. Brněnští vědci se soustředí především na kmenové buňky, které mají velký potenciál v oblasti regenerativní medicíny či tkáňového inženýrství.

Cílem je mimo jiné vytvářet populace buněk, které se budou za určitých okolností chovat stejně. „Musíme mít ale prostředky k tomu, jak buňky popsat a definovat. Pro tyto účely by mohlo posloužit právě unikátní hmotnostní spektrum,“ zdůraznil Vaňhara.

Měření hmotnostních spekter buněk a zejména následné matematické analýzy získaných dat mají na starosti právě chemici. Využívají k tomu metody umělé inteligence a umělých neuronových sítí. „Jsme v tomto směru skutečnými průkopníky, ale věřím, že díky mnohaletým zkušenostem s aplikacemi těchto metod v oblasti chemie dokážeme i v tomto projektu uspět a najdeme možnosti nejen pro spolehlivou klasifikaci kmenových buněk, ale přispějeme i k pochopení složitých mechanismů jejich diferenciace,“ uvedl Havel.

Na projekt s názvem Popis buněk a tkání s použitím metod fyzikální chemie a umělé inteligence výzkumníci letos získali tříletý grant z Programu podpory výzkumu Masarykovy univerzity.