Raziskave celic, ključnih za inzulin

Sladkorna bolezen predstavlja veliko osebno in javno breme. Predvsem zaradi velikih stroš­kov zdravljenja postaja tudi vse večja ovira za uspešnejši razvoj družbe. Na Inštitutu za fiziologijo Medicinske fakultete Univerze v Mariboru proučujemo delovanje endokrinih celic trebušne slinavke, predvsem celic beta, ki proizvajajo in izločajo hormon inzulin.

To je najpomembnejši anabolni hormon, ki po zaužitju hrane koordinira shranjevanje energijsko bogatih molekul, v obdobju med hranjenji in stradanjem pa znižanje njegove koncentracije vodi v mobilizacijo energijskih rezerv in njihovo porabo. Neodzivnost tkiv na učinke inzulina zaradi debelosti vodi v njegovo povečano izločanje, ki navadno dolgo časa uravnoveša neodzivnost tkiv, vendar se pri številnih ljudeh sčasoma razvije nezmožnost celic beta, da bi še naprej izločale večje količine inzulina, takrat pa tkiva ne sprejemajo več energijsko bogatih molekul ali jih v večji meri sproščajo.

Z raziskavami želimo ugotoviti, kako celice beta sploh razumejo signale iz okolja, da začnejo izločati inzulin, predvsem pa, kako ta proces sklopitve med stimulacijo in izločanjem spremenijo med raz­vojem sladkorne bolezni in kaj gre narobe, da na neki točki odpovedo. Končni cilj raziskav je odkrivanje ključnih tarč za farmakološko in nefarmakološko zdravljenje sladkorne bolezni. Delovanje celic beta v normalnih in bolezenskih razmerah spremljamo predvsem s snemanjem sprememb v znotrajcelični koncentraciji kalcijevih ionov, ki so ključna sklopka med stimulacijo in izločanjem inzulina. Te kalcijeve signale, ki potekajo v obliki oscilacij, nato analiziramo s klasičnimi fiziološkimi merami, kot sta denimo frekvenca in trajanje oscilacij, in z naprednimi merami teorije kompleksnih mrež, kot je denimo število funkcionalnih povezav med celicami.

Konfokalni mikroskop Leica Stellaris 8 Falcon DIVE (v ozadju) omogoča snemanje signalov živih celic z odlično časovno in prostorsko ločljivostjo, skupaj z izkušnjami in znanjem skupine pa konkurenčnost pri vzpostavljanju mednarodnih povezav (od leve asist. Viljem Pohorec, doc. dr. Jurij Dolenšek in izr. prof. dr. Andraž Stožer). FOTO: arhiv UM

Sodelovanje in povezovanje s tujino

Za uspešno iskanje odgovorov na navedena vprašanja je ključna razpoložljivost vrhunske raziskovalne opreme. Nadgradnja raziskovalne infrastrukture v sklopu projekta RIUM je raziskovalni skupini Inštituta za fiziologijo omogočila dopolnitev in bistveno nadgradnjo dveh obstoječih sistemov za konfokalno mikroskopijo z najnovejšim konfokalnim mikroskopom Leica Stellaris 8 Falcon DIVE. Gre za trenutno najsodobnejši razpoložljivi konfokalni mikroskop, v naši specifični konfiguraciji pa za enega redkih na svetu, ki omogoča zajemanje in kvantifikacijo slik v globini tkiva z izjemno visoko ločljivostjo, optični razrez tkiva s 3D-rekonstrukcijo in snemanje dinamike znotrajceličnih sprememb kalcija z visoko časovno in prostorsko ločljivostjo v živih celicah. Uporaba pa nikakor ni omejena le na žive preparate, ampak mikroskop omogoča tudi analizo fiksiranih vzorcev in neživih materialov za farmacevtske in inženirske namene.

Vse večja kompleksnost razis­ko­valnih področij ob vedno bolj specializiranih raziskovalnih pri­stopih je privedla do vedno ožje usmerjenosti raziskovalnih skupin. Za pridobivanje čim bolj celost­nega vpogleda v razvoj bolezni je nujno potrebno sodelovanje in povezovanje raziskovalcev. Unikaten pristop k pripravi tkiva in analizi podatkov skupaj z najsodobnejšo konfokalno mikroskopijo inštitutu odpira pot do sodelovanja s priznanimi mednarodnimi raziskovalnimi skupinami. Leta 2015 smo se tako povezali z Univerzo Heinricha Heineja v Düsseldorfu v Nemčiji in prenesli bazične raziskave delovanja trebušne slinavke v klinično farmakološko prakso. Pokazali smo, da zaviralci receptorjev NMDA povečajo aktivnost celic beta in so zato pomembna potencialna tarča pri zdravljenju sladkorne bolezni tipa 2. Proučevanje učinka zdravil smo razširili tudi na področje inkretinov, ki se zaradi ugodnega vpliva na znižanje koncentracije glukoze v krvi in zmanjšanje telesne teže vedno bolj predpisujejo bolnikom s sladkorno boleznijo. Ker mehanizem delovanja inkretinov v celicah beta trebušne slinavke še ni docela pojasnjen, v sodelovanju z raziskovalno skupino iz Padove v laboratoriju proučujemo njihov vpliv na dinamiko znotrajcelične koncentracije kalcija v celicah beta in njihovo kolektivno aktivnost.

Kljub temu da v zadnjem času pri delu uporabljamo tudi človeško tkivo, predvsem v sodelovanju z Inštitutom za diabetes Univerze v Alberti v Kanadi, so za naše delo ključni živalski, zlasti mišji modeli. Skupaj s švedsko raziskovalno skupino s Karolinskega inštituta razvijamo nov mišji model sladkorne bolezni tipa 2. Njegove edinstvene prednosti so, da zelo dobro opiše potek in posledice s prehrano povzročene sladkorne bolezni tipa 2 pri ljudeh. Model uporabljamo za raziskovanje mehanizmov, ki pri ljudeh povzročijo trajno remisijo sladkorne bolezni po omejitvi energijskega vnosa s hrano. V luči celostnega pristopa k razvoju bolezni omenjeni mišji model omogoča tudi proučevanje vedenjskih posledic bolezni in spolnih razlik. Podobno kot pri ljudeh namreč kaže na slabšanje gibalnih sposobnosti in večjo izraženost s čustvovanjem povezanega obnašanja. Zanimivo je, da so samci bolj nagnjeni k tem spremembam, ki pa so po naših trenutnih izsledkih po omejitvi energijskega vnosa tako rekoč v celoti reverzibilne, saj se povrne občutljivost perifernih tkiv, delovanje celic beta in običajno vedenje živali. Upamo, da bo uspešen prenos teh izsledkov na človeka izboljšal tako naše razumevanje sladkorne bolezni kot zdravljenje obolelih.

Na Inštitutu za fiziologijo verjamemo, da sta razvoj novih metodoloških pristopov in prenos bazičnih raziskav v klinično prakso ključna za izboljšanje kakovosti življenja. To razumemo kot poslanstvo in dolžnost raziskovalca do družbe, ki mu je z večdesetletno oporo omogočila, da sledi temu klicu.

———

Izr. prof. dr. Andraž Stožer je vodja Inštituta za fiziologijo Medicinske fakultete Univerze v Mariboru.