Modele i awatary

Awatary w popkulturze swoją karierę zawdzięczają filmowi science fiction Jamesa Camerona z 2009 r. o takim właśnie tytule. W tym najbardziej dochodowym przeboju w historii kinematografii awatary powstawały w laboratoriach na skutek zmieszania DNA ludzkiego z DNA mieszkańców fikcyjnej Pandory. Z języka filmowego do naukowego termin „awatar” przedostał się za sprawą naukowców z Hiszpańskiego Narodowego Centrum Badań nad Rakiem w Madrycie. W opracowanej przez nich metodzie eksperymentalnej wykorzystuje się „mysie awatary”, by jak najlepiej dobrać chemioterapię do potrzeb konkretnego pacjenta.

Podczas wycięcia guza z ciała chorego pobierane są komórki nowotworowe, które są następnie wszczepiane myszom – w ten sposób powstają mysie awatary. Kiedy u gryzoni nowotwór się rozwinie, testowane są na nich różne kombinacje dostępnych chemioterapeutyków, tak by ustalić najbardziej skuteczną wersję terapii. U myszy rozwijają się komórki nowotworowe o takich samych mutacjach jak u pacjenta, terapia jest więc całkowicie spersonalizowana i potencjalnie najbardziej obiecująca.

Niestety, hodowla myszy laboratoryjnych jest czasochłonna i kosztowna, co ogranicza możliwości praktycznego stosowania tej metody. Naukowcy poszukują więc innych modeli zwierzęcych. W ostatnich latach coraz częściej zwracają uwagę w kierunku danio pręgowanego (łac. Danio rerio) – niewielkiej tropikalnej rybki słodkowodnej, znanej wielu polskim hodowcom z domowych akwariów. Angielska nazwa danio to zebrafish, czyli „ryba zebra”, co odnosi się do charakterystycznego pasiastego wzoru na łuskach.

Ale jak to – ryba medycznym królikiem doświadczalnym? Co prawda ryby, tak jak ludzie, należą do gromady kręgowców, ale jednak w porównaniu z myszami i szczurami, nie mówiąc o małpach, wiele nas od nich różni. Chociażby są zimnokrwiste, żyją w wodzie i oddychają skrzelami. Mimo tych różnic w sierpniu tego roku naukowcy z lizbońskiego Champalimaud Centre for the Unknown (którego nazwa sugeruje, że mierzy się z nieznanym) opublikowali wyniki doświadczeń, w których udało im się wyhodować ludzkie komórki nowotworowe w larwach rybki danio – czyli „danio awatary”. Eksperymenty na rybim modelu są znacznie szybsze i tańsze niż na myszach, przez co dostępniejsze dla szerszego grona pacjentów onkologicznych, dla których liczy się każdy dzień.

Danio też człowiek

Genom danio został w pełni zsekwencjonowany w 2013 r. Składa się on z ok. 26 tys. genów kodujących białka (u ludzi takich genów jest ok. 19 tys.), a 70 proc. ludzkich genów ma swoje odpowiedniki u danio. Jeżeli jednak zawęzimy porównanie jedynie do genów powodujących różne choroby, to takich wspólnych genów będziemy mieć aż 84 proc. Rybka danio rozpoczęła swoją karierę w nauce w latach 70. XX w. w laboratorium George’a Streisingera na Uniwersytecie w Oregonie i przez wiele lat była głównie wykorzystywana przez biologów zajmujących się badaniem rozwoju embrionalnego kręgowców. W kolejnych latach naukowcom udało się stworzyć rybie modele takich chorób jak dystrofia mięśniowa czy czerniak – od tego czasu danio pręgowany ugruntował swoją pozycję jako organizm modelowy w badaniach nad wieloma ludzkimi chorobami.

Danio ma wiele cech, które stanowią o jego atrakcyjności w biomedycynie. Przede wszystkim rybka składa 200-300 jajek w tygodniu, z których dojrzałe osobniki mogą się rozwinąć w ciągu zaledwie trzech miesięcy. Z tak szybkim cyklem rozwojowym i liczbą potomstwa myszy i szczury nie mogą konkurować.

W dodatku, danio pręgowany ma znacznie skromniejsze wymagania lokalowe. Akwaria zajmują mniej miejsca niż klatki, mieści się w nich więcej zwierząt, a pożywienie jest dużo tańsze. Wymagają jednak specjalnych pomieszczeń z regulacją temperatury i odpowiednią instalacją hydrauliczną, a także z utrzymaniem stałego rytmu dobowego. Takie warunki są konieczne dla zapewnienia optymalnych warunków rozwoju danio, a także dla utrzymania stałego środowiska dla prowadzonych eksperymentów.

We wczesnych etapach rozwoju embriony danio pręgowanego są przezroczyste, dzięki czemu z łatwością można obserwować rozwój poszczególnych organów, na przykład serca albo układu nerwowego. Kilka lat temu genetycy molekularni stworzyli specjalną linię modyfikowanych genetycznie danio, gdzie również dorosłe osobniki są pozbawione charakterystycznej pasiastej pigmentacji łusek. Linia ta została ochrzczona przez naukowców imieniem „Kacper”, na cześć popularnego duszka z kreskówek dla dzieci.

W przypadku danio możliwe jest także oznaczenie interesujących naukowców białek w komórkach i tkankach fluorescencyjnymi znacznikami, które łatwo można obserwować pod mikroskopem. Takiego zabiegu nie da się wykonać na myszach, których rozwój zarodkowy przebiega w całości w ciele matki.

Rak u ryby

Dla badań w zakresie toksykologii oraz onkologii istotne jest to, że embriony danio są przepuszczalne dla wielu związków chemicznych. Ponadto, bardzo łatwo można je modyfikować genetycznie poprzez wstrzykiwanie DNA lub RNA bezpośrednio do embrionu w stadium pojedynczej komórki. W ten sposób wprowadzone zmiany są trwałe dla całego organizmu.

Wspomniani naukowcy z Lizbony musieli oczywiście sprawdzić, jak ludzkie komórki nowotworowe zachowują się po wszczepieniu do rybiego awatara – bądź co bądź istoty odległej od nas ewolucyjnie. W tym celu wprowadzili komórki raka okrężnicy do rybich embrionów i pozwolili im rozwijać się przez cztery dni. Po tym czasie okazało się, że powstałe guzy charakteryzują trzy główne cechy nowotworzenia: komórki dzieliły się bardzo szybko, nabyły możliwość migracji do innych regionów organizmu (czyli tworzyły przerzuty) oraz stymulowały tworzenie naczyń krwionośnych koniecznych do zaopatrywania guza w niezbędne składniki odżywcze.

Kolejnym etapem doświadczenia było podanie do wody w akwarium, gdzie były hodowane ryby, dwóch różnych mieszanek chemioterapeutyków stosowanych w leczeniu raka okrężnicy. Jak się okazało, niektóre nowotwory uległy zmniejszeniu, a inne nie, co dowodzi tezie, że wszczepione komórki nowotworowe mogą różnie odpowiadać na zastosowaną terapię. W końcu naukowcy pobrali komórki raka okrężnicy od pięciu różnych pacjentów, wszczepili do rybich embrionów i poddali działaniu tej samej chemioterapii, którą leczono pacjentów. W czterech przypadkach odpowiedź nowotworów na terapię pokrywała się z odpowiedzią pacjentów na chemioterapię zastosowaną pooperacyjnie. Naukowcy planują teraz rozszerzyć swoje badania na więcej rodzajów leków onkologicznych oraz typów nowotworów, żeby potwierdzić swoje dotychczasowe obserwacje.

Padaczka w akwarium

Danio pręgowany okazał się też niezwykle pomocnym modelem badawczym w zakresie lepszego poznania ośrodkowego układu nerwowego. Mózg dorosłego osobnika składa się z ok. 10 mln neuronów. Od lat trwają prace nad zmapowaniem połączeń pomiędzy poszczególnymi neuronami danio – jak dotąd udało się to zrobić dla kilku części jego mózgu. Badania te także mają znaczenie w eksperymentach biomedycznych.

Wiele prac skupia się na modelach nowotworów mózgu, padaczki oraz zaburzeń neuropsychiatrycznych, czyli jednych z najtrudniejszych współczesnych wyzwań neurobiologii. W dziedzinie nowotworzenia naukowcy szczególnie intensywnie badają rybi model neuroblastomy, która jest drugim co do częstości występowania nowotworem mózgu u dzieci.

Z kolei epilepsja, która dotyka aż ok. 70 mln osób na całym świecie, jest niezwykle trudnym problemem badawczym, ponieważ wywołuje ją wiele czynników zarówno genetycznych, jak i środowiskowych. U danio pręgowanego stosunkowo łatwo przy pomocy czynników laboratoryjnych można wywołać napad padaczkowy i badać zmiany zachodzące w ośrodkowym układzie nerwowym przy pomocy technik obrazowania mózgu. Ponadto ryby dobrze reagują na leki przeciwpadaczkowe stosowane u ludzi, których działanie jest często do końca niesprecyzowane na poziomie molekularnym. To daje nadzieję na poznanie specyficznych mechanizmów działania tych leków.

Danio pręgowany jest też wykorzystywany w badaniach neuropsychiatrycznych, np. nad poziomem lęku i stresu. Okazało się, że ryby w reakcji na stres lub sytuacje lękowe zachowują się bardzo podobnie do gryzoni. Przy wykorzystaniu technik inżynierii genetycznej udało się stworzyć rybie mutanty, o większej lub mniejszej podatności na stres. Naukowcy dysponują też całym zestawem testów behawioralnych, które mogą zostać wykorzystane w badaniu nowych leków stosowanych w neuropsychiatrii.

Danio pręgowany będzie coraz częściej wykorzystywany w laboratoriach, nie tylko jako rybi awatar w onkologii, ale także w badaniach nad chorobami neurodegeneracyjnymi czy też nad zrozumieniem mechanizmów regeneracji tkanek, tak cennym np. w przypadku uszkodzeń rdzenia kręgowego. W tych niepozornych akwariowych rybkach drzemie potencjał na przyszłość szeregu dziedzin biomedycyny. ©