Celica
Oktobra 1837 je potekal pogovor med Matthiasom Schleidenom in Theodorjem Schwannom o fitogenezi – izvoru in razvoju rastlin. Schleiden je opazil, da so vsi deli rastline sestavljeni iz samostojnih, neodvisnih enot – celic. Čeprav se živali in rastline razlikujejo pa sta opazila neverjetno podobnost njihove mikroskopske zgradbe. Po Schwannovih besedah sta odkrila elementarne delce organizmov.
Smo na pragu revolucije z nenapisano zgodovino – in prihodnostjo. Revolucije celic, naših sposobnosti, da jih spreminjamo, in preoblikovanja zdravstva.
Rakava celica si prisvoji zmogljivost naravno mobilnih celic in je tako sposobna gibanja prek velikih razdalj v telesu. Geni, ki rakavi celici omogočajo neomejeno celično delitev, so popačene, mutirane različice genov za delitev normalnih celic.
Naše slabosti, občutljivosti in ranljivosti sledijo iz slabosti celic. Naša sposobnost, da spreminjamo celice, je postala nova vrsta zdravstva, ki pa je še v začetnih fazah razvoja.
Z odkritjem celic in razumevanjem človeškega telesa kot celičnega ekosistema se je porodila tudi nova vrsta zdravstva, ki temelji na terapevtski manipulaciji celic. Preoblikovanje zdravstva lahko v grobem razdelimo na štiri kategorije:
- Prva je uporaba zdravil, kemičnih substanc ali fizičnega draženja, s katerim spremenimo lastnosti celic.
- Druga je prenos celic iz enega telesa v drugo.
- Tretja je uporaba celic za sintezo substance z zdravilnim učinkom.
- Četrta je gensko spreminjanje celic.
Celica je enota življenja. Današnja definicija življenja je nekakšen seznam, vrsta različnih oblik, delovanja ali postopkov, ne ena sama lastnost.
V ožjem pomenu je celica samostojna živa enota, ki deluje kot naprava za dekodiranje gena. Geni podajajo navodila (kodo) za sestavljanje beljakovin. Beljakovine omogočajo biološke reakcije, usklajujejo signale znotraj celice, tvorijo njene gradnike ter vklapljajo in izklapljajo gene, da urejajo celično identiteto, presnovo, rast in smrt.
Delitev celice omogoča rast, popravila, obnovo in navsezadnje razmnoževanje, eno od temeljnih značilnosti življenja.
Odkritje
Prvotna celica
Svet medicine, v katerega je sredi 19 stoletja vstopi Rudolf Virchow, bi lahko razdelili na dva strokovna dela: anatomijo in patologijo.
Andreas Vesalius je izdelal podroben zemljevid človeškega telesa. Tako je postavil človeško anatomijo v središče sveta.
Svet patologije pa je ostajal neurejen in brez smernic. Leta 1843 je Virchow diplomiral in se posvetil patologiji. Kanil je izumiti celično patologijo.
Vidna celica
Pri celični biologiji je šlo preprosto za veščino gledanja: merjenje, opazovanje in seciranje sveta z očesom.
Antonie van Leeuwenhoek je odkril množico drobnih organizmov, ki jih je imenoval animalkule, v vodi iz odtokov.
Podobne organizme je videl tudi Robert Hooke. Ta je videl v pluti ponavljajoče se enote. Poimenoval jih je celice, iz latinskega cella za majhen prostor.
Univerzalna celica
Celična biologija je morala počakati na centrifugiranje, biokemijo in elektronsko mikroskopijo.
Francois-Vincent Raspail je skušal ustvariti teorijo celične fiziologije. Zapisal je da vsaka celica jemlje iz svojega okolja, vzame le to, kar potrebuje. Celice imajo možnost izbire, zato so njihove stene sestavljene iz različnih razmerij vode, ogljika in baz. Celica je nekakšen laboratorij. Prav tako se je spraševal o izvoru celic.
Nov pogled na biologijo, ki je odprl vrata stoletju celice, se je lahko uveljavil šele potem, ko je znanstveni svet ovrgel teorijo vitalizma in teorijo vnaprej oblikovanih zametkov ter ju nadomestil s celično teorijo.
Schwann in Schleiden sta postavila dve načeli celične teorije:
- Vsi živi organizmi so sestavljeni iz ene ali več celic.
- Celica je osnovni gradnik organizmov.
Virchow je odkril izrazito povečano število belih krvnih celic. Poimenoval je pojav levkemija. Izvor teh celic ga je begal. Ni verjel, da se milijoni teh celic lahko pojavijo iz nič ali brez razloga. Raspailova trditev, da se celice porajajo iz celic, je postala Virchowovo osrednje načelo.
Virchow je dodal še tri načela:
- Vse celice izhajajo iz drugih celic.
- Normalna fiziologija je funkcija celične fiziologije.
- Bolezen, ta motnja normalne fiziologije, je posledica motnje v fiziologiji celice.
Teh pet načel je postalo temelj sodobne celične biologije in celične medicine.
Ne zadostuje, da najdemo mesto bolezni v telesu, razumeti moramo, katere celice organa so zanjo odgovorne. Pri odpovedi imunskega sistema gre lahko za težavo z limfociti B ali T ali pa za motnjo pri kateri koli vrsti v množici celic, ki sestavljajo imunski sistem.
Patogena celica
Louis Pasteur je svoje poskuse izvajal že leta 1859. Prišel je do sklepa, da bakterije potujejo ali z zrakom ali s prašnimi delci. K napredku Pasteurjeve teorije je potem najpomembnejše prispeval Robert Koch.
Delo obeh velikanov je nakazalo novo smer patologije. Dokazala sta, da samostojne, žive mikrobne celice povzročajo tako gnitje kot bolezen.
Mikrobna teorija je neznansko vplivala na zdravstvo. Mlad kirurg Joseph Lister je našel stare članke. Teorijo mikrobov je prelil v zdravstveno prakso.
Naslednji korak so bili antibiotiki. Celično zdravilo se zanaša na razlike med mikrobno in človeško celico.
Prve celice so se na zemlji pojavile pred 4 milijardami let.
Trije sestavni deli: membrana, nosilec informacij in podvojevalnik. Ti so določali prvo celico.
Imamo tri vrste celic: bakterije, arheje in evkarionti.
Ena in mnoge
Ureditev celice
Poroznost je nujna za življenje, po drugi strani pa življenju prestavlja tudi nevarnost. Povsem zatesnjena celica je mrtva, ko pa membrano napravimo porozno, je izpostavljena potencialni nevarnosti.
Celična membrana ima dvojno plast lipidov. Garth Nicolson in Seymour Singer sta podala model, v katerem so beljakovine kot nekakšne lopute ali kanali vstavljene po celični membrani. To strukturo sta poimenovala tekoči mozaični model celične mebrane.
Gradnja beljakovin je ena glavnih nalog celice. Beljakovine tvorijo encime, ki krmilijo kemične reakcije življenja. Beljakovine so delovni konji celice.
Proteasom je celična stiskalnica smeti, tja gredo beljakovine umret.
Mitohondriji imajo lastne gene in lastne genome. Lynn Margulis ima tezo da so bili nekoč primitivne celice, ki so jih zajele druge celice in so potem z njimi stopili v simbiozo.
Endoplazemski retikulum je povezan s sintetiziranjem in izvozom beljakovin, ki opravljajo praktično vse delo v celici.
Kako beljakovina pride do svojega ciljnega mesta. Gre skozi ER in nato v posebni predelček, tako imenovani Golgijev aparat. Od tod potuje do sekrecijskih zrnc, ki se odcepljajo od Golgija, in nato do končne postaje: celica jih izvrže.
Celično jedro je opazil Robert Brown leta 1836 v celicah orhidej.
Vklapljanje in izklapljanje genov je ključen proces. Gene vklapljajo in izklapljajo zunanji dražljaji, kot so hormoni, ki sporočajo tudi spremembe celičnega vedenja.
Za avtonomijo celice je ključna njena anatomija. Zmožnost vzdrževanja stalnosti notranjega okolja imenujemo homeostaza. Prvi jo je opisal Claude Bernard. V homeostazi sodelujejo deli kot so membrana (prehajanja snovi), protoplazma (uravnavanje kislosti in bazičnosti), mitohondriji (energija), proteasom (odstranjevanje).
Mrežnica in moda ne doživljajo imunskega odziva.
Delitev celice
Najpomembnejši dogodek v življenjskem ciklu celice je morda trenutek, ko nastaneta hčerinski celici. Delitev ima dva namena ali funkciji: proizvodnjo in razmnoževanje. Proizvodnja kot nove celice za sestavljanje, rast ali popravilo organizma. Mitozo je odkril Walther Flemming. Mejoza pa je podvojitev.
Mejoza, mitoza, mejoza. Razpolovitev, obnovitev, rast.
Življenjski krog celice ima več faz. Od G0 do G2 in nato M – mitoza.
To kar je bila vinska mušica za zgodnjo genetiko, je morski ježek postal za preučevanje celičnega cikla. Tim Hunt je odkril leta 1982 beljakovino, ki se je povečala malo pred delitvijo celice. Nato jih je odkril še več. Poimenoval jih je ciklini.
Postopek umetne oploditve je imel težaven začetek. V začetku petdesetih let 20. stoletja je Landrum Shettles začel s tem projektom.
Leta 1969 so Edwards, Steptoe in Bavister objavili članek o oploditvi in vitro. Članek je sprožil burne odzive.
Umetna oploditev je danes res ena najpogostejših celičnih terapij, vendar do nje ni prišlo zaradi prelomnega razvoja celične biologije, temveč zaradi izjemnega prepleta dosežkov v reproduktivni biologiji in porodništvu.
Spremenjena celica
He Jiankui, biofizik, ki je postal genetik, se je dogovoril leta 2017 za umetno oploditev. He je nameravala trajno spremeniti gene zarodka, preden bi ga vsadil nazaj v maternico. Dobri dve leti kasneje so ga obtožili kršitve temeljnih protokolov o soglasju.
Izbor zarodkov je v bistvu negativen postopek. Lahko odstranjujemo zarodke, ne moremo pa spremeniti genske rulete, ki zarodkom dodeljuje gene.
Urejanje genov – povzročanje usmerjenih, namernih in prav določenih sprememb v genomu – je mogoče izvajati z različnimi pristopi, najpogostejši pa izkorišča beljakovino cas9. Cas9 v kombinaciji s kosom RNK lahko izvede spremembo človeškega genoma.
Kako smo se razvili iz enoceličnih sistemov (evkariontov – celic z jedrom) na večcelične. Leta 2014 sta Michael Travisan in William Ratcliff na kvasovkah ugotovila, da so večcelične strukture nastale tako, da se niso več vrnile v enocelično stanje, temveč so ostale skupaj. Razvoj večceličnosti ni bil naključen, temveč nameren in usmerjen.
Razvoj celice
Brez pravilno delujočih migetalk bi bilo praktično nemogoče razmnoževanje, podobno velja za razvoj in obnavljanje telesa.
Na celični ravni smo vsekakor monogamni.
Triplastni zarodek – ektoderm, mezoderm, endoderm – je osnova za vse organe v človeškem telesu. Iz ektoderma nastane vse, kar je na zunanji strani telesa: koža, dlake, nohti, zobje, celo očesna leča. Iz endoderma nastane vse v najglobji notranjosti, na primer črevesje in pljuča. Mezoderm zadeva vse, kar je vmes: mišice, kosti, kri, srce.
Rast zarodka je proces, kaskada. Na vsaki stopnji celice izločajo beljakovine in kemične snovi, ki naročajo nastajajočim celicam in celicam, ki se selijo, kam naj gredo in kaj naj postanejo. Notranji signali, ki jih kodirajo geni v celicah, medsebojno delujejo z zunanjimi signali, ki jih pošiljajo okoliške celice.
Kri
Nemirna celica
Celica je stičišče, povezovalna točka med disciplinami, metodami, tehnologijami, pojmi, strukturami in procesi.
Kri prenaša hormone, kisik in odpadne proizvode ter se povezuje – pogovarja – z vsemi organi in prenaša sporočila med različnimi organi.
Že Galen je kri uvrstil med eno od štirih življenjskih tekočin. Willam Harvey je že leta 1628 trdil, da kri teče krožno. Leeuwenhoek je leta 1675 videl rdeče krvne celice.
Več kot 90 odstotkov suhe teže rdečih krvnih celic sestavlja ena sama beljakovina. Hemoglobin. Plazma, tekoča sestavina krvi, poleg celic prenaša še druge snovi, ključne za delovanje človeškega telesa: ogljikov dioksid, hormone, presnovke, odpadne produkte, hranila, dejavnike strjevanja krvi in kemične signale. Normalne bele krvne celice so dveh vrst: limfociti in levkociti.
Karl Landsteiner se je ukvarjal s transfuzijo. Odkril je krvne skupine. Sčasoma so odkrili še druge dejavnike – Rh-faktor.
Pravi preizkus transfuzije krvi se je odvijal na bojiščih prve in druge svetovne vojne.
Zdravilna celica
Leta 1881 je Giulio Bizzozero odkril trombocite. Krvna ploščica je zdravilna celica, oziroma, pravilneje rečeno zdravilna celični drobec. Vrsta beljakovin, ki deluje kaskadno in omogoča zaustavitev krvavitve, pa je drug sistem ki nas zdravi.
Če smo včasih potrebovali celjenje ran, nas danes ta sistem lahko pokoplje s svojimi strdki.
Aspirin s svojo dejavno sestavino acetilsalicilno kislino je bil odkrit leta 1897.
Varovalna celica
Levkocite je odkril Gabriel Andral v štiridesetih letih 19. stoletja. Kmalu so odkrili njihovo pomembno vlogo pri vnetjih.
Različice fagocitnih celic, ki jih je odkril Mečnikov, so pri človeku med prvimi celicami, ki se odzovejo na poškodbe in okužbe – makrofagi, monociti in nevtrofilci.
Imunske celice, ki prve posredujejo, so opremljene z receptorji za prepoznavanje vzorcev. Nekateri receptorji prepoznajo beljakovino v celičnih stenah. Spet drugi zaznavajo signale celic okuženih z virusi. Prirojeni imunski sistem ni le najstarejši, temveč je kot prvi posredovalec najpomembnejši del naše imunosti.
Monociti so celice prirojenega imunskega sistema, ki lahko pohrustajo patogene napadalce in njihove ostanke.
V bližnji prihodnosti bomo znali usmeriti bes prirojenega imunskega sistema proti rakavim celicam, ga umiriti v primeru avtoimunskih bolezni, ga izpopolniti, da ustvarim nov rod cepiv proti patogenim napadalcem. Ko bomo svoj prirojeni imunski sistem naučili, kako naj napada maligne celice v človeku, bomo izumili celotno novo vejo celične terapije, ki brzda vnetje.
Obrambna celica
Protitelo je telo – beljakovina -, ki se priklene na drugo substanco. Antigen pa je substanca, ki povzroči tvorbo protitelesa. Protitelesa so v obliki Y. Obe ločeni vlogi protitelesa – vezava antigena in aktivacija imunosti – sta združeni v eni molekuli, katere oblika nekakšnih imunoloških vilic je tesno povezana z njeno funkcijo.
Razločevalna celica
Kaj počne priželjc ali timus. Pri novorojenčkih v njem zori vrsta imunskih celic. Ne limfocit B, temveč limfocit T.
Notranji svetovi, zunanji svetovi, ločeni z membranami. Kaj počnejo limfociti T med okužbo? Celica, ki lahko loči sebe od nesebe. Vaši limfociti T lahko prepoznajo virusno okužene celice le, če izvirajo iz vašega telesa, ne iz telesa drugega. Sposobni so postaviti dve vprašanji. Ali celica, ki jo pregledujem, pripada mojemu telesu? Ali je okužena z virusom ali bakterijo. Če oboje drži – to sem jaz in jaz sem se spremenil, potem limfocit T celico uniči.
PHK spreminja notranjost v zunanjost in nenehno navzven pošilja vzorce celične notranjosti.
Imunski sistem deluje na dva načina: en sistem prepoznavanja (limfociti B in protitelesa) ne potrebuje nobenega celičnega konteksta, drugi (limfociti T) pa se sproži šele v primeru, ko se tuja beljakovina izpostavi v kontekstu celice.
Strpna celica
Kako jaz pozna samega sebe? To zmore, ker vsaka celica v telesu izraža niz histokompatibilnih (H2) beljakovin), ki se razlikujejo od beljakovin, ki jih izražajo tuje celice.
Zakaj se limfocit T ne bori proti lastnemu telesu? Od kod mu strpnost do jaza? Kot sta ugotovila Marrack in Kappler, tisti limfociti T, ki bi lahko napadli lastno telo, so bili izbrisani s postopkom negativnega izbora in tako niso nikoli dozoreli. Ob tej splošni strpnosti, pa se razvije še obrobna strpnost, to je tista, ki se razvije ko limfociti že zapustijo priželjc. Tu je vključen regulatorni limfocit T.
Čeprav je toliko različnih vrst raka, imajo vsi nekaj skupnih značilnosti, na primer to, da so nevidni imunskemu sistemu. Beljakovine, ki jih proizvajajo rakave celice, so z nekaj izjemami enake tistim, ki jih proizvajajo normalne celice, le da rakave celice izkrivljajo delovanje teh beljakovin in celice pripravijo do maligne rasti.
Ta dvojni problem – sorodnost raka z lastnim telesom in njegova imunska nevidnost – onkologom povzroča resne preglavice.
CTLA4 in PD-1 sta dva mehanizma, ki skrbita da telo ne napade samo sebe. Zdaj vemo, da rak zmore uporabiti oba ta mehanizma, da se prikrije in se zavaruje proti imunskemu sistemu.
Znanje
Pandemija
Nalezljivost virusa je ključni dejavnik pri določanju širjenja okužbe. Videti je bilo, da je patogenost virusa SARS-CoV2 morda prav v tem, da zna preslepiti celice v prepričanje, da ni patogen.
Pandemija je dala nov zagon imunologiji, hkrati pa je razkrila vrzeli v našem razumevanju.
Organi
Celica kot del skupnosti
Aristotel je imel srce za prvega med enakimi. Najpomembnejši organ, središče življenja v telesu.
Ibn Sinovo opisovanje srca kot vira utripanja, torej v bistvu črpalke, je bil eden prvih poskusov, da bi določili njegovo vlogo.
Celice srca, gojene zunaj telesa, zmorejo samostojno enakomerno utripati. Neka notranja značilnost celicam omogoča usklajeno utripanje, podobno delovanju črpalke.
Albert Szent-Gyorgyi je odkril, da utripanje omogočajo beljakovine. Miozin in aktin. Dva sistema povezanih vlaken. V vsaki mišični celici je na tisoče takšnih vrvic – trakov aktina , vzporednih trakovom miozina. Energija je potrebna za sproščanje oprijema aktina in miozina in ne oprijemanju. Dražljaj tvori premik ionov – pretežno kalcijevih.
Razmišljujoča celica
Nevron kot celico so odkrili zelo pozno. Šele leta 1873 je to storil Camillo Golgi.
Dolga stoletja so znanstveniki menili, da so živci nekakšne cevi, skozi katere se pretaka skrivnostna snov. Šele Luigi Galvani je spodkopal stare teorije in nevrologijo popeljal v novo smer. Odkril je, da so signali, ki potujejo od živca do živca in od živca do mišice, elektrika.
Nevron v mirujočem stanju ima negativen električen naboj.
Dendriti so vstopna točka signala.
Kasneje so ugotovili, da lahko signal prenašajo tudi kemične snovi.
Glialne celice so prisotne povsod po živčnem sistemu. Nekatere imajo maščobe izrastke, s katerimi tvorijo ovoj okoli nevronov. To so mielinske ovojnice. Možgani napravijo veliko preveč povezav, potem pa presežek odstranimo. Tako naj bi se ohranile močne sinapse, šibke pa odstranile.
Načrtovalne celice
Signali se od enega organa do drugega prenašajo po krvi. Te signale imenujemo hormoni.
Trebušna slinavka je pomemben organ. Tam nastajajo prebavni tokovi. Obenem pa je Paul Langerhans odkril tudi neko drugo celično strukturo. Poimenovali so jo Langerhansovi otočki. Celice teh otočkov naj bi izločali snov, ki zazna in uravnava glukozo. To skrivnostno snov imenovano isletin so poskusili izolirati Collip, Best, Macleod in Banting. Isletin so preimenovali v inzulin.
Za to da se znebimo soli, je odgovorna večcelična struktura v ledvicah imenovana nefron.
Jetrne celice ali hepatociti skrbijo za skladiščenje in odstranjevanje odpadkov, izločanje, sintezo beljakovin in še ostala opravila.
Jetra, trebušna slinavka, možgani in ledvice so štirje glavni organi homeostaze.
Preporod
Obnavljajoča se celica
Matična celica mora tvoriti delujoče diferencirane celice. Po drugi strani pa se morajo matične celice deliti za lastno obnavljanje.
Dve vrsti matičnih celic, ki so najzanimivejše in morda tudi najbolj problematične, so embrionalne matične celice (celice ES) in še nenavadnejše inducirane pluripotentne matične celice (iPS).
Celična popravila
Kosti se tudi daljšajo ne le debelijo in tanjšajo. Kost sestavlja mnogoterost celic. Hrustančne celice – hondrociti. Osteoblasti – celice, ki ustvarjajo kosti. Osteoklasti – te razgrajujejo kosti.
Sebična celica
Rak je v nekem smislu motnja notranje homeostaze, saj je zanj značilno, da celična delitev ni regulirana.
Ali ima rak matične celice? Da. Niso pa vsi prepričani, da imajo vse oblike raka matične celice.
Zakaj metastaze raka ponekod preživijo, drugam pa se sploh ne naselijo.
Pesmi celice
Celice in celo celične sisteme lahko poimenujemo, pesmi celične biologije pa se moramo še naučiti. Naše razumevanje medsebojne povezanosti celic je še vedno pomanjkljivo.
Deset načel celične biologije:
- Vse celice izhajajo iz celic.
- Vsa človeška tkiva izhajajo iz prve človeške celice.
- Čeprav se celice močno razlikujejo po obliki in funkciji, si delijo nekatere temeljne fiziološke značilnosti.
- Te fiziološke podobnosti lahko celice uporabijo po svoje – za specializirane dejavnosti.
- Sistem celic s specializiranimi funkcijami, ki se med seboj sporazumevajo s sporočili na kratke in dolge razdalje, lahko izvajajo zmogljive fiziološke funkcije, ki jih posamezne celice ne zmorejo.
- Celična fiziologija je torej temelj človeške fiziologije, celična patologija pa temelj človeške patologije.
- Postopki propadanja, popravljanja in pomlajevanja so pri vsakem organu drugačni.
- Z napredovanjem od razumevanja izolirani celic k razvozlavanju notranjih zakonov celičnih skupnosti se bo sčasoma porodila nova vrsta celične medicine.
- Že današnja medicina je bolj ali manj sposobna zgraditi novega človeka iz sestavnih delov, celic.
- S spreminjanjem celic smo že začeli obnavljati dele ljudi.
Celica
Geni brez celic nič ne pomenijo. Dejanska surovina človeškega telesa ni informacija, temveč način, kako ta informacija oživi, kako se razpleta, preoblikuje in vključuje – kar vse počnejo celice. Genomska revolucija je sprožila nekakšno moralno vrtoglavico, udejanjila pa jo bo celična revolucija. Vsaj tako pravi Sandel.
