Celična fiziologija1 10-7

Znanstveni cilj programa CELIČNA FIZIOLOGIJA je razumeti mehanizme, s katerimi celice med seboj komunicirajo v normalnih in patoloških razmerah. Pomembna evolucijska iznajdba evkariontov (nastali pred 1-2 milijardami let) so subcelični organeli. Sem sodijo SEKRETORNI MEŠIČKI, ki imajo ključno vlogo v medcelični komunikaciji in so PREDMET naših raziskav. Hitro sporazumevanje med nevroni sestoji iz propagacije akcijskega potenciala vzdolž aksonov do živčnega končiča, kjer se sproži zlivanje membrane mešička, v katerem je kemični prenašalec, s plazmalemo. To je eden končnih korakov URAVNAVANE EKSOCITOZE in vodi v nastanek fuzijske pore, ozkega vodnega kanala, preko katerega se vsebina mešička izloči v zunajcelični prostor. Eksocitoza ni prisotna zgolj v nevronih. Najdemo jo praktično v vseh evkariontskih celicah in študirali jo bomo v različnih tipih celic: v hipofiznih celicah, v astrocitih, v adipocitih, v klonalnih celicah, da bi si odgovorili na vprašanja o: i) TRANSPORTU MEŠIČKOV IN FUZIJI MEMBRAN, ii) CITOSOLNIH SIGNALNIH POTEH IN PRESNOVI, iii) CELIČNI FIZIOLOGIJI IN MODELIH BOLEZNIH. Čeprav je eksocitozo raziskoval že nobelovec B. Katz pred petimi desetletji, je razumevanje tega procesa še fragmentarno, predvsem zaradi eksperimentalne nedostopnosti. Uporabili bomo METODE (med drugim tudi super-resolucijsko mikroskopijo in elektrofiziologijo), ki smo jih postavili v naših laboratorijih in omogočajo spremljanje fizioloških parametrov na ravni celice, organelov in posameznih molekul. Uporabili bomo celične kulture, tkivne rezine in transgene miši (kot modele bolezni), da bi ugotovili, kako celični procesi prispevajo k razvoju patologije. Dognanja na celični ravni bomo uporabili za razvoj novih terapevtskih možnosti. TRANSLACIJA. Prepričani smo, da je izbrana strategija raziskav primerna ne le za objavljanje rezultatov v revijah z najvišjo prepoznavnostjo, kakor smo to pokazali v preteklosti (J. Neuroscience, JBC, Neuron, Glia, Nature Drug Discovery Reviews, Nature Protocols, Nature Communications), ampak nam omogoča tudi usmerjanje v translacijo. V zadnjem obdobju smo uvedli razmere za delo »dobre proizvodne prakse« (GMP; angl. »good manufacturing practice«) in na podlagi raziskav fuzije membran razvili napredno celično avtologno zdravilo ter pričeli s klinično raziskavo (EudraCT # 2012-005498-29). Vložili smo več patentnih prijav na temelju odkritij dinamike mešičkov in presnovnih sprememb celic nevroglije. S to strategijo bomo tudi nadaljevali. Dodatno translacijo predstavlja tudi diseminacija rezultatov v izobraževalni proces. Za študente na Univerzi v Ljubljani smo uvedli predmete: Temelji fiziologije, Molekulska fiziologija, Celično inženirstvo. IZVEDLJIVOST. Kot do sedaj, bomo delovali z visoko motiviranimi raziskovalci z vodenjem laboratorija po sistemu kakovosti (ISO:17025, regulativo za pripravo naprednih celičnih medicinskih izdelkov), kar preverja Slovenska Akreditacija in Javna agencija za zdravila in medicinske pripomočke.

Raziskovalno delo, ki ga predlagamo, je pomembno na več ravneh (v letu 2013 je bila vsebina, ki je del našega predloga, tudi nagrajena z Nobelovo nagrado). Nudi namreč novo znanje o univerzalnih bioloških procesih na celični ravni, ki so trenutno še slabo raziskani, na primer eksocitoza, transport mešičkov, citosolna homeostaza sekundarnih prenašalcev in metabolitov. Poleg tega predstavlja modelni sistem za proučevanje »funkcionalne genomike in proteomike«. Pri večini zapletenih bioloških procesov, ki vključujejo delovanje različnih genov in proteinov, ni mogoče spremljati fiziološkega procesa v času v živih organizmih. Pri študiju takšnih bioloških procesov se uporabljajo posamezne celice in pa številne tehnike, ki jih uporabljamo bodisi posamezno ali pa sočasno v kombinaciji z drugimi metodami. Pri tem želimo odgovoriti na vprašanja glede lastnosti posameznih funkcionalnih modulov, ki prispevajo k delovanju posamezne celice in pa celotnega organizma, tudi v živalih, modelih bolezni. Tako proučujemo elementarne dogodke eksocitoze pri hipofiznih celicah in astrocitih, celicah, ki po številu prekašajo nevrone v možganih. Recentne raziskave kažejo, da so astrociti zelo pomembni pri procesiranju informacij v centralnem živčnem sistemu, tako v bolezenskem kot tudi normalnem stanju. Zelo slabo je proučen proces transporta mešičkov v citosolu, pri katerem sodelujejo sekundarni prenašalci in metaboliti. Pri proučevanju tega procesa so pomembne optične tehnike v kombinaciji s fluorescenčnimi molekulskimi označevalci, s pomočjo uporabe le-teh pa se bodo na tem področju v prihodnje odprle nove pomembne smeri raziskav. Pri tem velja izpostaviti visoko-resolucijsko optično mikroskopijo, napredne metode elektrofiziologije in kvantitativne metode mikroskopije in molekulske biologije z uporabo nanosenzorjev. Vse te metode smo uvedli v naše laboratorije. Poleg raziskav procesov na celicah v celični kulturi in v tkivnih rezinah, bomo študirali tudi celice iz živali, ki predstavljajo modele bolezni. Predlagano raziskovalno delo je povezano z rakavimi boleznimi (priprava avtolognega celičnega pripravka za zdravljenje raka s postopki fuzije membran, z nevrodegenerativnimi boleznimi (Alzheimerjeva bolezen), z umsko manjzmožnostjo in tudi s stanji, ki spremljajo sladkorno bolezen. Mehanizmi izločanja kemičnih prenašalcev in hormonov so pri tem ključnega pomena, saj delujejo kot sredstvo komunikacije med celicami v možganih. V endokrinem sistemu se hipofizni hormoni izločajo s procesi eksocitoze v kri in uravnavajo pomembne telesne funkcije kot so rast, razvoj, razmnoževanje in odzivi na stres. V okviru predlaganega raziskovalnega dela bomo proučevali poleg temeljnih fizioloških/biofizikalnih aspektov eksocitoze, transporta mešičkov, citosolne signalizacije s sekundarnimi prenašalci in metaboliti, tudi nove aspekte fiziološkega delovanja celic v tkivih, transporta mešičkov in homeostaze citosola in sicer v povezavi z nevrodegeneracijo, možganskimi poškodbami in sladkorno boleznijo.

Celična fiziologija je temeljna disciplina, ki prispeva k razvoju novih terapevtskih in diagnostičnih metod v moderni molekularni medicini. Strategija, ki podpira temeljne in aplikativne raziskave na celični ravni, predstavlja pot, ki bo omogočila prenos informacij v podporo hitrejšemu razvoju celotne družbe, vključno slovenske. Temeljne raziskave so ključne za izobraževanje bodočih strokovnjakov in širše javnosti. Širša javnost mora biti poučena o razvoju celične biologije in molekularne medicine. Na primer, najnovejše obetajoče raziskave na področju matičnih celic, subcelične fiziologije, celičnega inženirstva, uporabe celic za pripravo avtolognih zdravil, biologije in mehanizmov določenih bolezni, mehanizmov zdravljenja, itd., morajo biti predstavljene širši javnosti. Nadalje, reševanje problemov v okviru svetovnih problemov na najvišji možni metodološki ravni prispeva k večji prepoznavnosti, kredibilnosti in kompetentnosti celotne slovenske družbe. Strokovno znanje s področja celične fiziologije, ki je v Sloveniji prisotno že nekaj desetletij in se tudi uporablja v industriji priprave bioloških zdravil, je nujno potrebno za spodbujanje hitrejšega razvoja ne le v Sloveniji, pač pa tudi v globalnem smislu v povezavi z drugimi narodi.