Zajímavosti, které nesmíte minout v biologii a medicíně – fetální organoidy, paměť a další

Ilustrativní obrázek vygenerovaný pomocí AI

Interakce neuronů a astrocytů při tvorbě paměti

V posledních letech se čím dál více pozornosti v neurobiologii soustředí na tzv. neuroglie – buňky, které na rozdíl od neuronů nevysílají elektrické signály, ale v rámci mozkové tkáně tvoří až 90 % hmoty. Neuroglie poskytují především podpůrné funkce neuronům. Jedním z typů neuroglií jsou astrocyty. Ty například podporují tvorbu synapsí či poskytují neuronům ochranu. Postupně se ale ukazuje, že astrocyty mají spoustu dalších důležitých funkcí, a například jejich poškození je spojováno s některými onemocněními centrální nervové soustavy.

Příkladem další odhalené funkce astrocytů může být únorová publikace v časopise Nature, ve které autoři z amerického Stanfordu spojují astrocyty s tvorbou dlouhodobé paměti. Pomocí pokročilých molekulárně biologických technik sledovali na myším modelu amygdalu (konkrétně její basolaterální část) – část mozku, která je právě se vznikem dlouhodobé paměti spojována. Ukázalo se, že neurony zde při tvorbě dlouhodobé paměti s astrocyty čile komunikují a co víc – interakce mezi neurony a astrocyty je ke vzniku paměti nezbytná. Autoři studie také určili v astrocytech konkrétní gen, jehož exprese pravděpodobně stojí za procesem formování paměti. Studie je další ze střípků do našeho poznání, že ne všechny pokročilé funkce, které si spojujeme s činností mozku, mají na svědomí (výhradně) neurony. 

H. sapiens v Evropě dříve, než se myslelo?

Mezinárodní vědecký tým ve své publikaci v časopise Nature z letošního ledna datoval – za využití souboru nejnovějších technik, jako je proteomická analýza, analýza mitochondriální DNA nebo radiokarbonové datování – ostatky z německého naleziště v jeskyni Ilsenhöhle v městečku Ranis. Na tomto místě bylo popsáno naleziště tzv. kultury LRJ (Lincombian-Ranisian-Jerzmanowician), která byla rozšířená v severozápadní a střední Evropě a je definovaná podle specifických kamenných nástrojů na těchto nalezištích. Dosud nebylo jasné, zda nálezy LRJ kultury patřily H. sapiens nebo neandrtálcům, jelikož LRJ nálezy jsou obecně datovány do období před 44–41 000 lety, kdy se na území Evropy vyskytovaly oba druhy současně – neandrtálci v západní Evropě žili ještě několik tisíciletí potom, co se objevili první H. sapiens na východě kontinentu.

Vědci určili, že nalezené kosterní pozůstatky patřily H. sapiens a datovali je do období před 45 000 lety, což z nich činí jedny z prvních přesně datovaných dokladů H. sapiens z období mladého paleolitu na území Eurasie. Navíc se podle analýzy mitochondriální DNA ukazuje, že H. sapiens u Ranis byli příbuzní s dříve zdokumentovanou skupinou moderních lidí v nalezišti Zlatý kůň (národní přírodní památka v dnešním CHKO Český kras v okrese Beroun). To naznačuje, že LRJ kultura byla součástí větší populace H. sapiens, která osídlovala Evropu v období před 45 000 lety. Autoři práce uvádějí, že jelikož se v tomto období ještě několik tisíciletí pohybovali v Evropě také neandrtálci, je pravděpodobné, že společné soužití obou druhů trvalo déle, než se dosud předpokládalo.

Fetální organoidy

Skupině vědců pod vedením Benedetty Artegiani z holandského Utrechtu se povedlo vytvořit organoidy z lidských fetálních mozků. Svou práci v lednu publikovali v časopisu Cell. Organoidy jsou poměrně nová a velice slibně se rozvíjející oblast experimentální biologie. Jedná se o in vitro kultivaci tkáně, která má 3D strukturu. Dosud se při in vitro pokusech nejčastěji používaly pouze 2D modely – buněčné kultury nebo organotypické explantáty – tenké řezy tkáně, která si sice oproti buněčným kulturám drží svou komplexní organizovanost, jejich limitem je však absence 3D struktury – tu nabízejí právě organoidy, díky nimž můžeme sledovat také prostorové interakce v tkáni, k níž jsou vytvořeny.

První organoidy byly vytvořeny ze střevní tkáně v roce 2009. Teprve v posledních několika letech se však vědcům daří tvořit organoidy i z jiných typů tkání. Výhodou organoidů vedle jejich 3D struktury je, že mohou být vytvořeny z lidské tkáně, jelikož častým limitem mnoha studií bývá testování na modelových organismech, často hlodavcích. Především u studií zaměřených na mozek a jeho vývoj či neurodegenerativní procesy jsou ale poznatky získané na hlodavcích nedostačující, jelikož lidský mozek je o poznání komplexnější.

Organoidy se dají vytvořit několika přístupy. Prvním je jejich odvození z tzv. pluripotentních kmenových buněk, které jsou po specifické stimulaci schopny tvořit jakékoliv buňky těla. Díky tomuto postupu lze sledovat vývojové procesy v dané tkáni. Druhou možností je tvorba organoidů z dospělé tkáně, které si tak zachovávají architekturu a vlastnosti této tkáně. Třetí možností je tvorba organoidů z rakovinné tkáně. Volbě přístupu k vytvoření organoidů tedy závisí na tom, co pomocí nich chceme zkoumat.

Autoři publikace vytvořili organoidy z fetální mozkové tkáně. Příprava organoidů mozkové tkáně z pluripotentních buněk se dosud nedařila a chyběl tak model organoidů pro vývojové studie lidského mozku. Vědci tedy měli unikátní možnost sledovat vyvíjející se tkáň in vitro. Navíc se ukázalo, že vzniklé organoidy se nejen vyvíjejí, ale také si zachovávají vlastnosti částí mozku, ze které byly odebrány – v tomto případě z dorzální a ventrální části koncového mozku. Pomocí CRISPR/Cas9 technologie se navíc podařilo fetální mozkové organoidy upravit tak, že s nimi bude možné studovat různé nemoci, v čemž autoři spatřují slibné využití. Autoři jsou si ale také vědomi etických limitů práce s fetálním materiálem (vzorky ke studii byly odebrány z potracených plodů mezi 12. a 15. týdnem těhotenství se souhlasem anonymních dárců) a zároveň vyzývají k diskusi na toto téma.

Rostlinný mikrobiom

Žhavým tématem posledních let je také mikrobiom, především ten lidský. Neméně zajímavý je ovšem mikrobiom rostlin, který se nachází prakticky na všech jejich částech, dokonce si ho rostliny předávají do dalších generací v semenech. Ukazuje se, že více než druh rostliny má na mikrobiom vliv prostředí, ve kterém roste, jako je teplota, vlhkost, salinita atp. – rostliny pěstované v podobném prostředí mají podobný mikrobiom, navzdory tomu, že se jedná o různé druhy. Mikrobiomy rostlinám pomáhají zajistit spoustu klíčových funkcí, jako například odolnost vůči stresu, vyrovnávání se se suchem či přijímání potřebných nutrientů z půdy. Největší potenciál pro aplikovaný výzkum, například pro optimalizaci zemědělské produkce, má interakce mikroorganismů s kořeny rostlin. V únoru tohoto roku vyšly v časopise Current Biology dvě práce, které se mikrobiomu rostlin týkají.

První z nich se zaměřuje na vliv domestikace rostlin, v tomto případě fazolu, na jeho mikrobiom. Vědci sledovali dva druhy této rostliny: fazol obecný (Phaseolus vulgaris) a fazol měsíční (Phaseolus lunatus). Tyto druhy si vybrali proto, že u nich v historii došlo v souhrnu ke čtyřem různým procesům domestikace v různých částech Ameriky. Ve své práci sledovali mikrobiom semen původních a domestikovaných druhů. Výsledky ukázaly, že přestože k jednotlivým procesům domestikace došlo nezávisle na sobě (jak časově, tak místně), mikrobiom semen se u domestikovaných druhů do určité míry shodoval. Vysvětlením podle autorů práce může být fakt, že oba druhy fazolu byly v historii šlechtěny pro podobný fenotyp – tedy například velká semena, případně semena, která bude snazší uvařit, což ovlivnilo také výsledné složení mikrobiomu. Ukazuje se tak, že domestikace je další z faktorů, které mají na podobnost mikrobiomu u různých druhů vliv.

Druhá práce čínských vědců sleduje vliv kořenového mikrobiomu na kvalitu čaje. Všeobecně se mezi milovníky čaje ví, že vedle odrůdy má na chuť čaje vliv také půda, na které byl pěstován. Jelikož na to, jaké látky rostlina z půdy bude schopná získat a využít, má velký vliv právě mikrobiom, zaměřili se vědci na porovnání kořenového mikrobiomu u dvou druhů čaje, které se výrazně liší v zastoupení aminokyseliny theaninu. Ten je spojován s kvalitou čaje, dodává mu jeho specifickou chuť. Theanin je tvořen z dusíku a je syntetizován zejména v kořenech čajovníku, odkud se dostává do mladých listů této rostliny. Ukázalo se, že čaj, který obsahoval více theaninu, měl ve svém kořenovém mikrobiomu bakterie, které jsou schopné dusík vázat. Výzkumníci následně vypěstovali bakteriální kulturu, která obsahovala stejné kmeny, jako mikrobiom čajovníku, s vysokým množstvím theaninu. Kulturu potom přidali ke kořenovému systému čajovníku s nízkým obsahem této aminokyseliny – výsledkem bylo zvýšení theaninu i v tomto druhu čaje. A nejen to, stejná kultura byla schopná vylepšit růst modelové rostlině Arabidopsis thaliana, která byla pěstována v podmínkách s nedostatkem dusíku. Práce tak elegantně ukazuje potenciál mikrobiomu jako svého druhu nového hnojiva.

Celosvětový výskyt obezity a podvýživy

Časopis Lancet publikoval v únoru metastudii shrnující data z 3663 populačních studií sledujících vývoj obezity a podvýživy mezi lety 1990 a 2022 ve 200 zemích u celkem 222 milionů dětí, adolescentů a dospělých. Za touto ohromující prací stojí NCD Risk Factor Collaboration – celosvětová síť výzkumníků ve zdravotnictví, která se zaměřuje na tzv. nepřenositelné choroby, a která spolupracuje s WHO.

Hlavním parametrem pro sledování byl BMI (Body Mass Index). Přestože autoři upozorňují, že BMI není ideální parametr – například proto, že neodráží rozložení tuku v těle, jedná se o údaj, který lze jednoduše sledovat ve všech zemích světa, využívá se hojně v klinické praxi a dá se stanovit jeho hodnota pro oba sledované jevy, tedy jak obezitu, tak podvýživu. Data byla vedle geografického rozdělení na jednotlivé země dále rozdělena také podle pohlaví a věku (děti a adolescenti od pěti do 19 let a dospělí nad 20 let).

Hlavním závěrem studie je, že se ve většině světa snížil výskyt podvýživy a zvýšil výskyt obezity. Dalším zjištěním bylo, že přestože celosvětový nárůst obezity u dospělých byl pozorovaný již v roce 1990, nyní je doprovázen také nárůstem u dětí a dospívajících. Důvody pro nárůst obezity u dospělých byly přičítány hlavně změně stravovacích návyků, tedy odklonem od domácího vařeného jídla směrem k vysokolalorickým a vysoce průmyslově zpracovaným potravinám z restaurací a fast foodů, v kombinaci s nárůstem sedavého způsobu života. Autoři popisují, že se stejné faktory pravděpodobně začaly uplatňovat také u mladší generace, kam se v důsledku toho trend výskytu obezity přelil. V případě, že se obezita vyskytuje ve stále nižším věku, bude také léčba s ní spojených onemocnění potřebná pro více lidí po delší čas, což s sebou nese obrovskou ekonomickou zátěž pro zdravotní systém.

Dalším důležitým sdělením studie je, že nekvalitní strava a obezita má často socioekonomické důvody a autoři tak upozorňují na to, že populace, u které stále převažuje podvýživa nad obezitou, jako jsou státy v některých částech Afriky, v jižní a jihovýchodní Asii a na Středním východě, mohou rychle přejít z podvýživy do rizika obezity, právě z ekonomických důvodů.

Provázanost ekosystému

Publikace v časopise Science z letošního ledna ukazuje, jak zdánlivě malé změny ve vzájemných vztazích organismů mohou ovlivnit celý ekosystém.

Ve východní Africe tvoří jeden druh akácie (Vachellia drepanolobium) významnou část stromové kultury. Tyto stromy jsou tzv. myrmekofytní – poskytují potravu a úkryt mravencům výměnou za ochranu vůči herbivorům – převážně slonům, kteří se takto chráněným stromům vyhýbají. To vede k ochraně porostu na savaně. V posledních dvaceti letech byl původní druh mravenců vytlačován invazním druhem pocházejícím původně z ostrovů v Indickém oceánu a tím tento vzájemně prospěšný vztah mezi akáciemi a mravenci, především v Keni, narušil.

Invazní druhy mravenců neposkytují stromům onu ochranu, sloni se mezi nimi procházejí a následkem toho je kácí, a to až 7krát více, než pokud jsou stromy chráněny mravenci. Úbytek akácií tak vede ke změnám krajiny, která je více odkrytá, a tudíž se v ní mohou některé druhy lépe orientovat. To pomáhá zebrám, aby lépe viděli blížící se predátory – lvy.

Vědce zajímalo, zda dojde k poklesu populace lvů, jestliže nebudou moci tak efektivně lovit svou primární kořist. Přestože však na otevřenějších pláních opravdu ubylo lovených zeber, k poklesu lví populace nedošlo. Lvi si totiž našli náhradní potravu – buvola afrického. Nicméně, zda jim tato strategie bude i při větší invazi mravenců stačit, aby pokryli výpadek primární kořisti, není jasné.

 

Autorka: Vendula Lužná (Vědavýzkum.cz)

Zdroje: Nature, Cell, Lancet, Science

Chtěli byste psát podobné přehledy toho nejzajímavějšího ze svého oboru? Napište nám email na adresu redakce@vedavyzkum.cz.