Biologie se naučila tělo rozebírat. Horší je dát ho zase dohromady
Mozek, svaly, cévy i vnitřní orgány se tak poprvé ukazují jako části jedné rychle komunikující sítě. Moderní biologie dokáže pozorovat jednotlivé neurony, měřit aktivitu buněk v játrech, zaznamenávat srdeční rytmus nebo sledovat pohyb imunitních buněk. Právě obrovská specializace ale vytváří zvláštní problém. Čím podrobněji dokážeme jednotlivé části organismu zkoumat, tím snazší je zapomenout, že žádná z nich ve skutečnosti nefunguje sama.
Když zvíře ucítí nebezpečí, nají se, začne plavat nebo se prudce ochladí prostředí kolem něj, nereaguje jen mozek. Nervový systém vyšle signály ke svalům, mění se oběh, činnost orgánů, metabolismus i aktivita buněk, které s vědomým rozhodováním zdánlivě nemají nic společného. Organismus vytváří jedinou koordinovanou odpověď, ale vědci ji dosud většinou museli rekonstruovat z mnoha oddělených měření.
**Tým z výzkumného kampusu Janelia při Howard Hughes Medical Institute proto vyvinul systém s příznačným názvem WHOLISTIC, tedy WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity. Jeho ambicí není lépe sledovat jeden orgán. Má umožnit sledovat buněčnou aktivitu napříč prakticky celým živým tělem současně.**
Místo orgánu se rozsvítí celé zvíře
Výzkumníci použili mladé zebřičky Danio rerio. Pro tento typ experimentu mají zásadní výhodu: několik dní po oplození jsou velmi malé a jejich tělo je do značné míry průhledné. Světlo mikroskopu se proto může dostat do tkání, které by u dospělého neprůhledného obratlovce zůstaly skryté.
Vědci vytvořili genetickou linii zebřiček, jejichž buňky produkují fluorescenční senzor GCaMP7f. Jeho jas se mění podle koncentrace vápníku uvnitř buňky. Právě vápník je mimořádně vhodný signál, protože v buňkách neslouží jen jednomu účelu. Podílí se na aktivitě neuronů, svalových stazích, sekreci, metabolismu a řadě dalších dějů.
Vysokorychlostní volumetrická fluorescenční mikroskopie potom umožnila zaznamenávat změny tohoto signálu ve třech rozměrech napříč téměř celým tělem. Výsledkem není statická anatomická mapa. Vzniká časový záznam, v němž lze sledovat, kdy se jednotlivé buňky aktivují a jak spolu jejich reakce souvisejí v průběhu sekund.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Najednou je vidět mozek, sval i střevo
Právě rozsah sledovaných tkání odlišuje WHOLISTIC od většiny předchozích metod. V jediném experimentu lze současně pozorovat buněčnou aktivitu v mozku a nervové soustavě, svalech, cévách, srdci, trávicím systému, játrech, slinivce, chrupavce i dalších částech organismu.
Tím se mění také druh otázek, které lze pokládat. Biolog se už nemusí ptát pouze na to, co se při určitém podnětu děje v mozku nebo ve svalové tkáni. Může hledat pořadí událostí napříč tělem. Které buňky odpověděly první? Které orgány reagovaly současně? Kde se aktivita objevila až s několikasekundovým zpožděním? A které dvě tkáně, které jsme dosud zkoumali odděleně, se ve skutečnosti chovají jako propojená funkční jednotka?
V jednom z experimentů například vědci prudce snížili teplotu vody. WHOLISTIC zachytil očekávané reakce nervové soustavy i dalších tkání, ale zároveň ukázal výraznou odezvu chondrocytů, tedy buněk chrupavky. Bez celotělového měření by právě taková reakce mohla snadno zůstat mimo pozornost, protože chrupavka by při studiu akutní odpovědi na chlad nemusela být prvním orgánem, na který by se výzkumník zaměřil.
Tělo obsahuje spojení, která jsme nehledali
To je možná nejzajímavější vlastnost nové metody. Tradiční experiment obvykle začíná hypotézou. Výzkumník předpokládá, že určitý proces souvisí například s nervovou soustavou a svalem, a proto měří právě tato dvě místa. Jenže tím už předem rozhodl, které části těla považuje za důležité.
Celotělový záznam dovoluje postupovat obráceně. Nejprve zachytí aktivitu téměř všude a teprve potom lze hledat překvapivé souvislosti. Algoritmy mohou z obrovského množství dat vyhledávat skupiny buněk, jejichž signály se mění synchronně, přestože leží v různých orgánech.
Takové spojení samo o sobě ještě neznamená přímou komunikaci. Dvě tkáně mohou současně reagovat na třetí společný signál. WHOLISTIC ale ukazuje, kde podobné vztahy vůbec hledat. Namísto mapy anatomických orgánů tak postupně vzniká druhá mapa: mapa funkcí, které se mohou rozprostírat přes několik různých částí těla.
Nejde jen o nervy
Právě zde metoda trochu nabourává naši intuitivní představu o řízení organismu. Když mluvíme o „komunikaci v těle“, často automaticky myslíme nervovou soustavu. Neurony skutečně dokážou přenášet informace mimořádně rychle, ale nejsou jedinými buňkami, které si předávají signály.
Hormony putují krví, imunitní buňky uvolňují signalizační molekuly, tkáně reagují na mechanické napětí a změny metabolismu a jednotlivé orgány vysílají chemické informace o svém aktuálním stavu. Vápníková signalizace, kterou WHOLISTIC sleduje, se navíc odehrává v obrovském množství buněčných typů.
Celotělový pohled proto může ukázat události, které bychom při čistě neurocentrickém pohledu přehlédli. Nejde o hledání nějakého nového „druhého mozku“ rozprostřeného po organismu. Jde o mnohem praktičtější poznání: chování a fyziologie vznikají ze spolupráce mnoha systémů, které se v každém okamžiku navzájem ovlivňují.
Překážkou je zatím něco velmi obyčejného: světlo
Představa, že stejným způsobem jednoho dne rozsvítíme každou buňku člověka a budeme sledovat celé tělo v reálném čase, je zatím daleko za možnostmi technologie. Autoři sami upozorňují na základní omezení: většina obratlovců je příliš velká a neprůhledná.
Světlo fluorescenčního mikroskopu nedokáže proniknout hluboko do objemných tkání dospělého savce způsobem, který by umožnil podobné měření v celém organismu s buněčným rozlišením. Mladá zebřička představuje téměř ideální experimentální objekt právě proto, že je drobná a opticky dostupná.
Výzkumníci přesto ukázali, že koncept nemusí být omezen výhradně na několikadenní larvy. Proof-of-concept experimenty provedli také na dospělé Danionella cerebrum, miniaturní průhledné rybě. I zde však pomáhá velmi neobvyklá anatomie zvířete, nikoli technologie schopná jednoduše zprůhlednit jakéhokoli obratlovce.
Poprvé začínáme vidět odpověď organismu jako celek
WHOLISTIC proto není předchůdcem nějakého budoucího rentgenu, který by lékaři umožnil sledovat každou naši buňku. Jeho bezprostřední význam leží jinde. Nabízí biologii experimentální systém, na němž lze pozorovat jevy, které dosud vznikaly hlavně skládáním oddělených výsledků.
Při příjmu potravy lze sledovat nejen střevo, ale současně i nervovou soustavu a metabolické orgány. Při pohybu nejen aktivitu neuronů a svalů, ale také změny v oběhu a dalších tkáních. Při stresu z prostředí lze zachytit celou kaskádu buněčných reakcí od prvního senzorického podnětu až po odpovědi v místech, jejichž účast jsme předem vůbec nepředpokládali.
Živé tělo totiž nemá jednu centrální místnost, v níž by se odehrávala jeho skutečná činnost, zatímco ostatní orgány jen vykonávají příkazy. Každou sekundu v něm probíhají miliony místních procesů, které se skládají do jednoho funkčního celku. Poprvé máme možnost pozorovat značnou část této konverzace najednou, místo abychom poslouchali vždy jen několik jejích účastníků.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Nature – Imaging cellular activity across all organs reveals body-wide circuits [2], HHMI Janelia – WHOLISTIC, companion website and research data [3], Howard Hughes Medical Institute – A ‘WHOLISTIC’ view of cellular communication across an entire animal [4]. img ai generated
