Bariera krew-mózg jest niezwykle ważną strukturą, która oddziela naczynia krwionośne od tkanki nerwowej. Powstanie i funkcjonowanie takiej bariery umożliwia wybiórczy transport pomiędzy łożyskiem naczyniowym, a tkankami ośrodkowego układu nerwowego co zapewnia naturalną ochronę ośrodkowego układu nerwowego. Mówiąc o barierze krew-mózg nie mamy na myśli błony w sensie fizycznej bariery, oddzielającej tkanki od OUN. Jest to bariera, na którą składa się część anatomiczna i element biochemiczny. Część anatomiczną stanowią ściśle przylegające do siebie komórki mikronaczyń śródbłonka. Natomiast pod względem biochemicznym barierę tę tworzą białka międzykomórkowych połączeń ścisłych (okludyna, klaudyna, ZO-1, ZO-2, odpowiedzialne za utrzymanie integralności bariery) oraz białka transportujące z nadrodziny ABC, takie jak glikoproteina P (P-gp) i białka MRP, oraz inne białka tranportujące, takie jak GLUT-1 (odpowiedzialne za transport glukozy) i TAUT (biorące udział w procesach osmoregulacji). To aktywność bariery krew-mózg w dużej mierze decyduje o tym, które substancje są neurotoksyczne, a które nie wykazują takiego działania tylko dlatego, że nie mogą się przedostać do ośrodkowego układu nerwowego.

Biotechnologia pl: Dlaczego w swoich badaniach wykorzystuje Pani nanocząstki?

dr K. Kania: Żyjemy w erze nanotechnologii, a w XXI wieku nastąpił gwałtowny rozwój wielu dziedzin nauki i technologii, w tym technologii w skali nano. Umożliwiło to wytworzenie niespotykanych dotąd struktur o submikroskopijnych rozmiarach od 1 do 100 nm, nanocząstek. Cząstki te charakteryzują się specyficznymi właściwościami, oprócz małych rozmiarów, posiadają dużą powierzchnię w stosunku do masy czy wysoką reaktywność. Obecnie nanocząstki stosowane są powszechnie w medycynie (jako potencjalne przenośniki leków w celowanej terapii), inżynierii materiałowej (produkcja i zastosowanie nanokompozytów) czy kosmetologii (mineralne filtry przeciwko promieniowaniu UV).

Czy nanocząstki mogą być toksyczne?

Niestety tak, duże zainteresowanie strukturami nano niesie ze sobą również zagrożenia związane z obecnością w środowisku nanocząstek stanowiących odpady poprodukcyjne. Narażenie organizmów żywych na niepożądane działanie nanocząstek może być spowodowane przez cząstki występujące w środowisku w sposób naturalny lub też poprzez wytwarzane w procesach technologicznych poprodukcyjne odpady, które mogą być transportowane również do mózgu. Wyniki najnowszych badań wskazują, że nanocząstki zbudowane z substancji takich jak srebro, miedź, krzemionka czy aluminium mogą bardzo łatwo przenikać przez barierę krew-mózg, a nawet powodować zaburzenia jej integralności. Jednak dokładny mechanizm działania nanocząstek na funkcje bariery nie został jeszcze dostatecznie wyjaśniony. Jak dotąd słabo poznane pozostają takie zjawiska, jak efekty wywoływane przez nanocząstki na komórki BBB (ang. Blood brain barrier), ale przede wszystkim nie został w pełni wyjaśniony molekularny mechanizm działania nanocząstek na poziomie wewnątrzkomórkowych szlaków przekaźnictwa sygnałów, transkrypcji czy translacji.

Wydaje się, że cel, który Państwo sobie postawili zapewne przyczyni się do analizy nanomateriałów będących coraz powszechniej stosowanymi jako niezbędne i już niezastąpione w dzisiejszym postępie technologicznym?

Nie można jednak jednoznacznie stwierdzić, czy powszechne i nieprzemyślane stosowanie nanocząstek nie spowoduje większych szkód niż korzyści, dlatego należy je poprzedzić starannymi badaniami toksykologicznymi. Dlatego celem projektu jest stworzenie naukowych podstaw dla takich testów toksykologicznych w zakresie potencjalnego negatywnego oddziaływania nanocząstek na barierę krew-mózg. Próbując zatem określić bilans odniesionych korzyści i poniesionych strat w związku z zastosowaniem nanotechnologii i coraz powszechniejszą obecnością w środowisku nanozanieczyszczeń, w aspekcie troski o nasze zdrowie w trakcie realizacji projektu zostanie szeroko przebadany wpływ nanocząstek na funkcje bariery krew-mózg, zarówno na poziomie molekularnym, jak i komórkowym.

Od kilku lat na świecie obserwuje się zwiększone zainteresowanie w dziedzinie nanotoksykologii bariery krew-mózg, dowodem jest pojawianie się coraz większej liczby publikacji w tej dziedzinie, natomiast badania opisujące niekorzystny wpływ powszechnie już stosowanych nanocząstek na funkcjonowanie bariery, są bardzo nieliczne, czy zatem na tym polega fenomen innowacyjności tych badań?

Rozważając aspekt ekotoksykologiczny, odnoszący się do mechanizmów oddziaływania nanocząstek środowiskowych na barierę krew-mózg – z cała pewnością mogę powiedzieć, że tak, bo Nasz Projekt stanowi nowatorskie i naszym zdaniem niezbędne podjęcie tematu nanocząstek w aspekcie toksykologii i neurobiologii. Celem badań planowanych w ramach niniejszego projektu jest kompleksowa analiza mechanizmów i wyjaśnienie molekularnych oddziaływań, dostających się do organizmu nanocząstek przypadkowo (m.in. jako element zanieczyszczeń środowiska) lub intencjonalnie (m.in. jako składnik farmaceutyków i parafarmaceutyków) z komórkami śródbłonka mikronaczyń mózgu, tworzącymi komórkową podstawę bariery krew-mózg. Ponieważ utrzymanie równowagi biochemicznej i genetycznej w komórkach śródbłonka odpowiedzialne jest za pełną ekspresję fenotypu bariery krew-mózg (z którym związana jest np. ekspresja transporterów błonowych i białek ścisłych połączeń międzykomórkowych), wszelkie jej zakłócenie może mieć daleko idące konsekwencje wobec systemów ochronnych ośrodkowego układu nerwowego. Wyniki otrzymane w ramach Projektu i wnioski z nich płynące, będą stanowiły interesujący materiał do dyskusji dla szerokiej rzeszy specjalistów z zakresu neurofizjologii, toksykologii i ekotoksykologii.

Jaki plan działań, przyjęli sobie Państwo, aby nastąpiła pełna realizacja postanowionych sobie celów?

Ponieważ projekt wpisuje się w nanotoksykologiczną tematykę realizowaną intensywnie przez czołowe zespoły na świecie, to będzie on realizowany w kolejnych etapach, w których zostaną ocenione min. właściwości toksyczne zastosowanych nanocząstek dla modeli komórkowych bariery krew-mózg. Ponadto zostanie wykonana analiza wpływu nanocząstek na ekspresję białek i na ekspresję genów związanych z funkcją barierową (białka połączeń ścisłych, transportery).

Co mogą Państwo powiedzieć na temat wartości końcowej projektu?

Udana realizacja projektu będzie stanowić odpowiedź na niezwykle aktualne zagrożenia cywilizacyjne, w większości dotychczas nierozpoznane, wynikające z gwałtownego postępu technologicznego i wprowadzania do powszechnego użytku (i do środowiska) nanocząstek o nie w pełni zbadanych właściwościach biologicznych. Badania takie są szczególnie potrzebne właśnie na tym etapie rozwoju gospodarczego naszego kraju, kiedy rozwój nauki polskiej pozwala na odpowiednio wczesną reakcję na zagrożenia globalne i wpisanie się w najaktualniejsze trendy nauki światowej. Wyniki będą miały przy tym bezpośrednie odniesienie do problemów lokalnych, coraz realniejszych ze względu na udokumentowane rosnące zanieczyszczenie środowiska naszego kraju nanoodpadami. Przy tym wzrost gospodarczy prowadzi również do coraz szerszej dostępności substancji farmaceutycznych, parafarmaceutycznych i kosmetycznych o strukturze nanocząstkowej i o niedostatecznie przebadanych własnościach bioaktywnych.

Zdaje się, że nie należy zapominać też o pogłębianiu wiedzy na temat bariery krew-mózg i mechanizmów jej funkcjonowania?

Ależ oczywiście, liczymy, że wyniki przeprowadzonych przez Nas eksperymentów, będą miały swój udział w rozwoju neurofizjologii, neurologii i neuropatologii. Ze względu na liczne kontrowersje w odniesieniu do biozgodności i efektów toksycznych nanocząstek pomiędzy środowiskami ekotoksykologicznymi i biotechnologicznymi (wynikające w dużej mierze z braku przekrojowych badań takich jak zaplanowane w niniejszym projekcie), wyniki projektu mogą odegrać kluczową rolę w dyskusjach nad bezpieczeństwem innowacyjnych nanoterapeutyków czy nanokosmetyków. Szczegółowa analiza oddziaływań nanocząstek występujących w środowisku człowieka lub wprowadzanych do jego organizmu na funkcję bariery krew-mózg pozwoli na pogłębienie wiedzy na temat zagrożeń pochodzących od środowiskowych nanozanieczyszczeń oraz zagrożeń wynikających z zastosowania nanocząstek jako elementów nowoczesnych terapii w kontekście zaburzeń neurologicznych takich jak choroba Alzheimera czy Parkinsona. Udana realizacja projektu podniesie też rozpoznawalność nanotoksykologii jako odrębnej dyscypliny badań podstawowych toksykologii, w szczególności wśród neurofizjologów i neurobiochemików.

Czy projekt, którego jest Pani kierownikiem i o którym rozmawiamy zakłada współpracę z innymi dziedzinami nauki, jednostkami naukowymi?

Projekt pt. „Modulacja funkcji bariery krew-mózg przez nanocząstki – czynniki zagrożenia środowiskowego i nanoterapeutyki” jest projektem, który wpisuje się w pojęcie interdyscyplinarny. Wyniki otrzymane podczas realizacji grantu na pewno będą użyteczne dla różnych grup potencjalnych odbiorców. Jednocześnie badania prowadzone w ramach projektu z zastosowaniem unikalnych modeli komórkowych bariery krew-mózg oraz nowoczesnych metod z zakresu biologii molekularnej, biochemii i biofizyki znacznie poszerzają grono potencjalnych odbiorców i osób zainteresowanych tematyką. Zatem rezultaty badań podstawowych wchodzących w zakres niniejszego projektu będą miały bezpośrednie zastosowanie zarówno w dziedzinie ekotoksykologii, jak i biotechnologii medycznej związanej z biozgodnością biomateriałów. Jednocześnie ze względu na zastosowanie i staranne scharakteryzowanie w przebiegu projektu nowoczesnych modeli in vitro nasze badania będą również interesujące dla neurofizjologów i biochemików zajmujących się podstawowymi mechanizmami biogenezy, funkcjonowania i patologii bariery krew-mózg.

Wiemy, że w ramach projektu, udało się państwu już otrzymać jakieś wyniki, czy może nam Pani co nieco zdradzić?

Zgodnie z decyzją NCN, realizacja Projektu rozpoczyna się od sierpnia 2013, czyli tak naprawdę Projekt dopiero się rozpoczyna. Natomiast, żeby spełnić wymagania postawione przez NCN w trakcie przygotowywania wniosku, zostały wcześniej wykonane badania wstępne. W badaniach tych zastosowano trzy rodzaje nanocząstek: nanodiamenty, PAMAM (dendrymery) oraz Al2O3 – (jony metali przejściowych). Do eksperymentów wykorzystano unikalną linię komórkową – hCMEC/D3, będącą modelem komórkowym bariery krew-mózg. W przypadku PAMAM, po ekspozycji komórek na nanocząstki, zaobserwowano objawy towarzyszące programowanej śmierci komórki min. translokację fosfatydyloseryny do zewnętrznej warstwy błony komórkowej. Ponadto, zbadano również poziom ekspresji glikoproteiny P, na poziomie mRNA, stosując metodę RT-PCR. Wszystkie 3 rodzaje nanocząstek powodowały obniżenie ekspresji P-gP, najsilniejszy spadek ekspresji zaobserwowano w przypadku nanodiamentów. Wyniki tych badań zostały dołączone do wysłanego do NCN wniosku.

Czyli dalsze perspektywy wydają się układać bardzo pomyślnie?

Projekt ma na celu zbadanie i wyjaśnienie mechanizmów jakie biorą udział w modulowaniu bariery krew-mózg przez nanocząsteczki i można go zaliczyć do badań podstawowych niż ściśle aplikacyjnych. Zatem na tym etapie realizacji Projektu trudno mówić o jakimkolwiek wdrożeniu uzyskanych wyników badań na poziom wynalazczy. Być może, że w trakcie trwania projektu takie działania zostaną poczynione.

Dr Katarzyna Kania – adiunkt w Regulacji Transkrypcji, Instytutu Biologii Medycznej PAN w Łodzi. Jest absolwentem Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska na Uniwersytecie Łódzkim, gdzie uzyskała stopień naukowy doktora w dyscyplinie biofizyka. Dr K. Kania jest laureatką wielu krajowych i międzynarodowych nagród i stypendiów, m.in. grant EMBO na udział w EMBO/HHMI Central European Scientists Meeting, Budapeszt 2005 r. Dzięki programowi „Mobilność Plus” dr K. Kania odbyła 18 - miesięczny staż na Wydziale Farmakologii Uniwersytetu w Cambridge (Wielka Brytania), gdzie realizowała projekt badawczy pt. „Regulacja ekspresji genów transporterów z rodziny ABC oraz ich rola w tworzeniu bariery krew-mózg”. Jest wykonawcą 6 projektów naukowych o zasięgu krajowym i międzynarodowym i współautorem 19 publikacji naukowych.

Rozmawiała dr Marzena Szwed, redaktor naukowy portalu biotechnologia.pl