VĚDECKÉ STŘEPINKY 2012 – lidský genom a kmenové buňky

Vzhledem k tomu, že se blíží konec roku a že bych měl něco napsat také o vědě samotné, vybral jsem pro tento příspěvek tři události ve světě vědy, které v tomto roce proběhly i veřejnými médii a které dle mého názoru budou mít v blízké době obrovský dopad na život celé společnosti (s ohledem na poslední kritérium jsem záměrně vynechal „objev“ Higgsova bosonu, byť to byl určitě také důležitý mezník):

1. V únoru oznámila společnost Oxford Nanopore, vyvinutí nové metody pro sekvenaci DNA, která slibuje přečtení celého genomu člověka během 15 minut za cenu menší než tisíc dolarů. To navazuje na neuvěřitelně rychlý vývoj v tomto oboru v přechozích několika letech (pro srovnání v roce 2001 trvalo totéž 10 let a stálo 3 miliardy dolarů) a otevírá dokořán dveře reálným medicínským aplikacím – např. tzv. personalisované medicíně.
2. V září byly publikovány výsledky první fáze projektu ENCODE (zahájeného v roce 2003). Ten poskytl obrovské množství dat o tom, jak buňky informace zakódované v genomu využívají a položil základ pro rozvoj takzvané funkční genomiky.
3. V říjnu byla udělena Nobelova cena za Fyziologii a medicínu za výzkum v oboru kmenových buněk (zároveň byly během roku publikovány další významné práce v této oblasti). Tento výzkum má, kromě značného mediálního zájmu a grantových prostředků (a řady mýtů s tím spojených), bezesporu obrovský potenciál pro řadu nových léčebných postupů.

Pokusím se trochu přiblížit vědecké pozadí těchto „objevů“ a naznačit, proč by jim měl každý z nás věnovat pozornost. Všechny mají navíc významný přesah i do světa etiky, práva a sociálních otázek.

"Čtení naší duše"

Všechny buňky našeho těla obsahují stejnou dědičnou informaci, která je zakódovaná pomocí čtyř „písmen“ (ACGT), odpovídajícím 4 různým bazím v molekule DNA. Tuhle chemickou „abecedu života“ známe už asi 50 let, i díky tomu, že je stejná pro všechny formy života, včetně např. bakterií. Víme, že určité části DNA (geny) buňka přepisuje do jiné formy (RNA) a následně využívá krátká třípísmenná slova v nich obsažená jako instrukce pro výrobu svých základních funkčních jednotek (proteinů).

Lidský genom těch písmenek obsahuje asi 3 miliardy. V počítačové podobě se dají nahrát na jedno CDčko, vytištěny drobným písmem zabírají jednu velkou knihovní skříň (například v muzeu nadace Wellcome trust v Londýně). To se možná nemusí zdát ještě tak mnoho – s ohledem na to, že je to informace dostatečná aby z jedné buňky vznikl člověk, pár desítek let fungoval a třeba i sepisoval blogy - každopádně je to mnohem více, než bylo až donedávna možné zmapovat.

Přečtení „naší podstaty“ tak muselo počkat na rozvoj nových technologií a nástup „informačního věku“. V roce 2001 se to podařilo téměř naráz dvěma skupinám. První bylo vládní konsorcium Human Genome Project, které na sekvenaci lidského genomu pracovalo přes deset let a utratilo asi 3 miliardy dolarů. Druhým byla soukromá společnost Celera Genomics, doufající v možnost patentového využití zjištěných genů, která to zvládla za dva roky a asi 300 milionů.

Na tyto projekty následně navázala řada dalších. Zatímco původní práce využívaly vzorky z několika anonymních jedinců, v roce 2003 byl zveřejněn první genom konkrétního člověka (zakladatele Celery, Creiga Ventera) a do současnosti přibylo asi sto dalších (včetně např. Steva Jobse). Desítky projektů se nyní zaměřují na mapování variace lidského genomu mezi jednotlivci, rozdílů mezi národnostmi a zejména pak rozdílů chrakteristických pro specifické skupiny pacientů - všechny poskytují neocenitelná data jak pro vědeckou tak i lékařskou komunitu (viz. dále).
Nástup „sekvenačních technologií nové generace“ umožnil dramatické urychlení a snížení nákladů. Z původních deseti let a 3 miliard dolarů koncem 90.let se cena kompletního lidského genomu v současnosti snížila asi na 4 tisíce za dva dny a je téměř jisté, že již začátkem příštího roku se dostaneme pod magickou metu 1000 dolarů za genom a na dobu v řádu hodin. S nadsázkou lze tvrdit, že pokud bude cena klesat tímto tempem i nadále, bude levnější člověka osekvenovat, než tato data uložit na přenosný disk (pokles se brzo zpomalí, protože větší podíl začnou mít náklady na přípravu vzorků a zpracování dat – přesto ani $100 za genom není zřejmě nereálné).

V současné době nastupuje tzv. třetí generace technologií, jejíž nejnovějším reprezentantem (byť určitě ne posledním) je právě Oxford Nanopore. Tato společnost odštěpená před 7 lety z katedry chemické biologie oxfordské university má mimochodem již nyní tržní cenu přes miliardu dolarů - přestože dosud neprodala jediný produkt. Její technologie umožňuje číst dlouhé sekvence z jednotlivých molekul ze vzorku bez nutnosti speciální přípravy (např. přímo z kapky krve). Navíc vyniká originálním modulárním designem. Nejmenší zařízení má velikost memory sticku, který se připojí k laptopu přes USB port. Tyto přístroje tak již zdaleka nemusí být omezeny na velká genomická centra. Naopak, jejich využití v ordinaci praktického lékaře či v každé porodnici (viz níže) již teoreticky z technických důvodů téměř nic nebrání.

"Encyklopedie člověka"

Nyní tedy kromě „abecedy života“ známe i celou „knihu člověka“. Takže už zbývá jen taková maličkost – a to celý ten text „pochopit“. Je možné, že to bude trvat klidně i dalších 100 let, přestože už máme rozhodně nakročeno a mnoha přímých aplikací se dočkáme už brzo.

Samotné přečtení genomu přineslo hned několik překvapení. Jedním z nich bylo to, že máme jen asi 20-25 tisíc genů. To je nejen méně, než se původně očekávalo, ale zhruba stejné množství jako má myš či muška octomilka a méně než má třeba kukuřice. Společné geny se navíc mezi jednotlivými organismy příliš neliší (např. mezi námi a šimpanzem je rozdíl asi pouze v jednom písmenku ze sta). Přijmeme-li proto předpoklad o naší “nadřazenosti” nad opicí, mouchou či popcornem, musí naše “komplexita” pocházet ne z množství genů, ale především z regulace toho, jak jsou využívány.

A klíčem k pochopení této komplexní regulace má být právě projekt ENCODE (Encyclopedia of DNA elements). Ten byl zahájen v roce 2003 s cílem najít v lidském genomu funkční elementy. První fáze projektu byla uzavřena koordinovanou publikací 30 článků v těch nejprestižnějších časopisech v září tohoto roku. V jistém směru je poměrně obtížné shrnout jeho hlavní výsledky, protože primárním výstupem je obrovská databáze (celkem 1648 genomických experimentů na 147 buněčných typech), kterou bude vědecká komunita využívat ještě po mnoho příštích let.

Přesto se projekt dostal na první stránky světových médií, s chytlavými titulky, že vědci prozkoumali „černou hmotu“ lidského genomu a že „překvapivě zjistili, že co bylo dříve považováno za odpad, je ve skutečnosti důležité“. V podstatě až na to slovíčko „překvapivě“ měly titulky pravdu. Pojem „černá hmota“ zde naráží na fakt, že geny kódující proteiny tvoří jen asi 1,5% lidského genomu. O funkci a významu toho zbytku víme mnohem méně (i když zcela neznámý už přinejmenším několik let není a teorie považující většinu za nechtěnný evoluční odpad, tzv. „junk DNA“, patří už do dob dávnějších).

Je pravdou, že ENCODE tento „nekódující“ prostor systematicky zmapoval a identifikoval řadu oblastí, které ovliňují a regulují expresi konkrétních genů a zároveň i řadu míst, kde se vytváří RNA dosud neznámé funkce. Do RNA je dokonce přepisováno v určité míře až 60-70% genomu (což ovšem ještě neznamená, že všechna má opravdu nějaký biologický význam) a asi u 80% lze detekovat určitou biologickou aktivitu (např. vazbu transcripčního faktoru).

Klíčové na projektu je i to, že nám pomohl identifikovat rozdíly mezi různými typy buněk (všechny buňky našeho těla mají totiž stejnou genetickou informaci, každá z nich jen „čte“ její jinou část), což je velice důležité pro jakýkoliv bio-medicínský výzkum. Jednou z přímých aplikací je pak například nástroj identifikující, které buněčné typy použít jako nejlepší modely pro studium a testování nových léčebných postupů u genetických poruch.

Využití genomiky v praxi

Vím,že tohle je téma, které může čtenáře zajímat asi nejvíc (i díky poměrně velkému přesahu do otázek právní regulace). Protože však článek narostl více než jsem původně předpokládal (a svátečního času na psaní bylo méně), rozhodl jsem se ho vyčlenit do zvláštního příspěvku, který sem přidám (spolu s dalším rozepsaným blogem) po Novém roce (tedy pokud se mnou bude mít editor ještě trpělivost).

„Srdce z kůže“

„Všechno, co se dočtete ve veřejných médiích je zatím přehnané, hodně z toho však v budoucnu bude realitou.“

Tento výrok jednoho mého kolegy by se dal použít i na řadu jiných oblastí bio-medicíny, o kmenových buňkách však platí dvojnásob. Jestli totiž existuje něco jako vědecká móda, tak kmenové buňky jsou již několik let „in“. I díky veřejnému zájmu je to klíčové slovo, které se vyplatí zahrnout do žádostí o granty a které zaručí vyšší impakt publikací (znám skupiny, které na kmenových buňkách pracují, i když je pro svůj výzkum přímo nepotřebují). I přeš veškerý „hype“ si však tato oblast výzkumu pozornost určitě zaslouží, neboť má opravdu potenciál dramaticky změnit léčbu řady lidských nemocí.

Kmenová buňka je charakterizovaná tím, že je nejen schopná se sama reprodukovat, ale za určitých podmínek se může přetvořit (diferencovat) v buňku „jakékoliv“ specializované tkáně. Jak lze očekávat, tyto buňky se přirozeně vyskytují v embryu, v menší koncentraci pak i v tkáních dospělého jedince (kde se podílí na opravných mechanismech – mimochodem „nepřímo“ se využívají např. při transplantaci kostní dřeně). Vědcům se postupně podařilo nalézt postupy, jak kmenové buňky nejen izolovat, namnožit a udržet jako laboratorní kulturu, ale i jak „uměle“ navodit jejich diferenciaci (stále si pamatuji, jak jsem byl před lety „fascinován“ krátkým časosběrným videem ukazujícím přeměnu kmenové buňky v buňku srdečního svalu, která začala následně sama pulsovat).

Protože izolace „dospělých“ kmenových buněk je relativně složitá a diferenciační potenciál omezený, většina výzkumu dosud probíhala na buňkách získaných původně právě z embrya (u člověka lze využít přebytečná embrya neimplantovaná při in vitro fertilizaci). Tento původ s sebou samozřejmě přináší řadu etických problémů (např. za éry G.W. Bushe bylo financovaní výzkumu zastaveno).

Obrovský pokrok byl proto dosažen, když se v roce 2006 Shinya Yamanakovi a jeho týmu z univerzity v Kjótu podařilo "obrátit přirozený biologický tok“, a ze specializované buňky, konkrétně kožního fibroblastu, vyrobit buňku kmenovou. I tyto „indukované pluripotentní kmenové buňky“ lze pak dále diferencovat v jiné buněčné typy (z „kůže“ tak můžeme vytvořit např. „srdce“). Navíc nesou genetickou informaci jedince, z něhož byly odebrány, čímž se redukuje riziko imunitního odmítnutí při případném terapeutickém využití.

Kromě obrovského významu pro samotné pochopení biologických procesů, má (a bude mít) výzkum kmenových buněk opravdu řadu medicínských aplikací. K těm přímým patří zejména jejich transplantace pro obnovu postižené tkáně (rakovina, Parkinsonova nemoc, zranění páteře, roztroušená skleróza, poškození svalů,...). Probíhají i experimenty, kdy jsou kmenové buňky pacienta užívány pro tvorbu celých tkání a případně i trojrozměrných orgánů v laboratoři. V neposlední řadě možnost vygenerovat v podstatě jakékoliv buněčné typy (včetně těch jinak těžko dostupných, např. neuronů) s genetickou výbavou konrétního pacienta, dává neocenitelné možnosti pro hledání a testování nových léčiv. Do této kategorie patří i užití hepatocytů vytvořených z kmenových buněk pro testování toxicity “in vitro” (velké množství léků totiž bývá staženo v pokročilých fázích klinických studií, protože se u dobrovolníků či pacientů objeví jaterní toxicita).

Naopak k velkým problémům kmenových buněk (zejména těch indukovaných) v současnosti stále patří to, že jejich transplantace může vést k nekontrolovanému dělení a vzniku rakoviny (jelikož některé z faktorů podílejících se na jejich charakteru jsou zároveň onkogeny). Jsem však přesvědčen, že v budoucnu bude i tento problém vyřešen.

Pohádka "o světě bez mužů".

Protože jsem si všiml, že se na Jiném právu občas vyskytují i zajímavá genderová témata, dovolím si přidat ještě jeden „objev“ letošního roku, který se také kmenových buněk týká. Předem upozorňuji, že se jedná o spekulaci, kde moto uvedené na počátku přechozí části platí dvojnásob.

Přestože zárodečné buňky diferenciaci z kmenových buněk dlouho odolávaly, loni skupina Dr. Saitou z Kjotské university oznámila, že se jim podařilo vytvořit z myšších kmenových buněk spermie. Letos pak podobnou metodou stvořili i vajíčka. V obou případech byly takto vzniklé buňky využity k umělému oplodnění a ze vzniklých embrií implementovaných do náhradních matek se narodila živá zdravá mláďata. Použitá metoda je zatím velice složitá a zahrnuje inkubaci buněk v prostředí tkání získaných z varlat a vaječníků. Do budoucna však není vyloučeno, že se podaří celý process zreprodukovat čistě „ve zkumavce“. Kromě pokroku v pochopení procesů, které se na tvorbě zárodečných buňek podílejí, se tak nabízí i fascinující nové možnosti v léčbě neplodnosti.

Pojďme však zaspekulovat dále. V současných experimentech byly (i z etických důvodů) využity kmenové buňky pocházejících z jedinců příslušného pohlaví (tj. spermie ze samčích buněk, vajíčka ze samičích). Z biologického pohledu však není zřejmé, zda tomu tak nutně musí být (naopak přeběžné výsledky skupiny prof. Nayernia z university v Newcastelu údajně naznačují, že přinejmenším spermie by mohly být vytvořeny i z ženských kmenových buněk). V budoucnosti (která nemusí být tak vzdálená) se tak můžeme dostat do situace, kdy bude možné kožní buňky jakéhokoliv člověka přeměnit jak ve vajíčko, tak ve spermii a využít k umělému oplodnění. Takže pánové pozor – možná nejsme tak nezbytní (alespoň biologicky), jak jsme si donedávna mysleli ;-) („nahradit vývoj plodu v těle matky asi ještě dlouho možné nebude“). I v méně extrémní verzi by bylo etických otázek dostatek. Zatímco třeba použití lidských buňěk pro klonování (vytvoření genetické kopie daného jedince), byť „technicky možné“, se vesměs všude setkává s obecným odporem (osobně se domnívám, že trochu i díky negativní konotaci tohoto slova ze sci-fi filmů), týkalo by se stejné NE i technologie, která by umožnila jinak neplodnému páru vytvořit pohlavní buňky pro umělé oplodnění? A byl by nějaký rozdíl, kdyby šlo o homosexuální pár? …

Samozřejmě netvrdím, že tato situace nastane (ani se nesnažím zaujmout žádný morální názor). Uvádím to jen záměrně jako příklad, že současný bio-medicínský výzkum nás může postavit před biologické, etické a právní otázky, které mohou překonat vše, co jsme si zatím dovedli představit. A je dobré být vzdělán a připraven začít témata diskutovat co nejdříve.