26. 07. 2024
Čtení na 5 minut
Výsledky práce mezinárodního týmu vědců z italské Národní rady pro výzkum (CNR), Boloňské univerzity a Ústavu experimentální medicíny AV ČR (Oddělení buněčné neurofyziologie) nedávno publikoval časopis Nature Nanotechnology (otevře se v novém okně), který se svým impakt faktorem 38,1 řadí mezi nejvíce citované vědecké časopisy. S použitím grafenových elektrod vědci studovali možnosti stimulace vápníkové signalizace astrocytů, které mohou hrát klíčovou roli v patogenezi řady neurologických onemocnění a následné regeneraci nervové tkáně.
Astrocyty jsou specializované gliové buňky, které tvoří podstatnou část centrálního nervového systému (CNS). Jsou to nejpočetnější a nejrozmanitější buňky v mozku a míše, které zastávají řadu důležitých funkcí a významně ovlivňují fungování CNS. K jejich hlavním funkcím patří metabolická a strukturální podpora neuronů a udržování rovnováhy iontů a neurotransmiterů v mezibuněčném prostoru. V reakci na poranění CNS se astrocyty aktivují a díky své schopnosti proliferovat vytvářejí kolem poškozené oblasti bariéru (gliální jizvu), čímž zabraňují dalšímu poškození okolní tkáně. Současně však přispívají i k regeneraci nervové tkáně, kdy v rámci imunitní odpovědi CNS uvolňují celou řadu protizánětlivých cytokinů a chemokinů.
Jak je patrné, astrocyty jsou multifunkční buňky, které mají zásadní význam pro udržení normální funkce CNS a homeostázy zejména prostřednictvím vápníkové signalizace. I proto se mezinárodní tým vědců zaměřil na pochopení tohoto základního mechanismu, pomocí kterého gliové buňky komunikují s neurony a dalšími buňkami v CNS. Tato signalizace zahrnuje změny v intracelulární koncentraci vápníku (Ca2+), které mohou ovlivnit různé buněčné procesy. Koncentrace Ca2+ v astrocytech ovlivňuje uvolňování specifických látek, jako jsou glutamát, D-serin a ATP, a moduluje aktivitu sousedních astrocytů, neuronů a cévních buněk. Prostřednictvím těchto molekul astrocyty regulují prokrvení mozku nebo ovlivňují rovnováhu mezi excitací a inhibicí mozkové aktivity. Poruchy v dynamice Ca2+ přispívají k rozvoji a progresi celé řady neurologických onemocnění, která se vyznačují zejména kognitivními poruchami nebo změnami prokrvení mozku.
Současné bioelektronické nástroje jsou určeny především ke stimulaci a studiu neuronů a nejsou tak vhodné pro stimulaci astrocytů. Proto se autoři článku zaměřili na možnosti elektrické stimulace astrocytů s cílem ovlivňovat vápníkovou signalizaci v těchto buňkách a vyvinuli dva typy elektrod, které jsou potažené oxidem grafenu či jeho redukovanou variantou. Výsledky studie ukázaly, že odlišné vodivé vlastnosti substrátu ovlivňují elektrické pole na rozhraní buňka-elektrolyt nebo buňka-materiál, což vede k odlišné signalizaci jak v buněčné kultuře astrocytů, tak i u astrocytů v tkáňových řezech myšího mozku.
Autoři studie prokázali, že elektrická stimulace astrocytů pomocí elektrod potažených oxidem grafenu vyvolává pomalý nárůst intracelulární koncentrace vápníku, který je především zprostředkován vtokem vápníku z vnějšího prostředí, zatímco elektrody s redukovaným oxidem grafenu vyvolávají prudký nárůst vnitrobuněčné koncentrace vápníku, výhradně v důsledku uvolňování Ca2+ z intracelulárních zásob. S použitím metody patch-clamp, která umožňuje studium elektrických vlastností buněčných membrán a chování iontových kanálů na velmi detailní úrovni, a to včetně sledování účinků různých farmakologických látek, a metod zobrazování změn napětí a intracelulárních koncentrací vápníku pomocí fluorescenčních barviv, validovali výše popsané výsledky.
Vápníková signalizace v astrocytech nicméně i nadále zůstává pro vědce výzvou pro další obdobné studie. Současné výsledky výzkumu však poskytly důkaz o jednoduchém nástroji pro selektivní kontrolu odlišných vápníkových signálů v astrocytech mozku pro použití v neurovědách a experimentální medicíně. V budoucnu by se mohl nově navržený model výzkumu zaměřit na nové neuromodulační účinky u patologických stavů, jako je ischemie, epilepsie a rozvoj deprese, v nichž se uplatňuje různorodá povaha astrocytární vápníkové signalizace.