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.