O tym, czym jest glikobiologia, dlaczego zmiany w glikozylacji mają znaczenie w nowotworach i jak analiza glikanów może wspierać diagnostykę oraz nowoczesne terapie, opowiada Paweł Link-Lenczowski, laureat konkursów (OPUS i Sonata Bis-12) organizowanych przez Narodowe Centrum Nauki.
Jesteś, jak sam o sobie mówisz, entuzjastą glikomiki – czy szerzej glikobiologii. Czym jest w ogóle glikobiologia? To termin niezbyt oczywisty, nawet dla biologów czy medyków. Ujmując to w bardzo prostych słowach: glikobiologia traktuje o roli cukrów, czyli glikanów, w organizmach żywych. Nie chodzi tu jednak o kwestie energetyczne, bo na pewno pierwszym skojarzeniem odnoszącym się do cukru i organizmu jest glukoza, chociażby ta krążąca w naszym krwiobiegu. Glikany natomiast to struktury cukrowe w postaci oligosacharydów, które przyłączane są do podstawowych makromolekuł komórkowych, przede wszystkim białek. W konsekwencji stanowią ważny element budowy komórki, z wszystkimi tego konsekwencjami strukturalnymi i funkcjonalnymi. Wyobraźmy sobie, że właściwie każda nasza komórka pokryta jest od zewnątrz warstewką zbudowaną z glikanów – tzw. glikokaliksem. Zdając sobie z tego sprawę, łatwo sobie wyobrazić, że wszelkie interakcje komórek z ich otoczeniem, ale też z innymi komórkami, w jakimś stopniu zależeć muszą od glikanów. Swego czasu Carolyn Bertozzi, noblistka z roku 2022, wymyśliła bardzo obrazowe przedstawienie komórki jako cukierka M&M’s, gdzie jądro komórkowe to orzeszek, czekolada to cytoplazma, a słodka, chrupiąca skorupka to glikokaliks komórkowy.
Opowiedz nam trochę o źródłach i rozwoju swojej fascynacji glikomiką
Moja fascynacja glikobiologią rozpoczęła się dawno, bo w trakcie studiów biologicznych na Uniwersytecie Jagiellońskim. Można powiedzieć, że jestem w tej szczęśliwej sytuacji, że trwa ona do dziś. Biologia na UJ jest prowadzona w formule dosyć otwartej, tzn. oprócz kursów obowiązkowych, programowych, studenci mogą wybierać zajęcia dodatkowe z przeróżnych dziedzin biologii. Jest tych zajęć ogromna różnorodność, bo właściwie większość zespołów czy po prostu badaczy prowadzi jakiś „swój” kurs z tematyki, którą się zajmuje. Ja, chyba na 2 roku, wybrałem taki mały wykład pt. „glikobiologia”, prowadzony wówczas przez prof. Annę Lityńską z Instytutu Zoologii. Nie wiedziałem wtedy za bardzo, co to jest za tematyka, ale ponieważ interesowała mnie biochemia, pomyślałem, że warto posłuchać tych wykładów. I rzeczywiście temat mnie bardzo zainspirował. Po pierwsze, było to coś „nowego”, o czym wcześniej zupełnie nie słyszałem, nawet na kursach z biochemii. Po drugie, z tych wykładów dowiedziałem się, jak duży potencjał funkcjonalny drzemie w komórkowych glikanach. Po jakimś czasie zgłosiłem się więc do zakładu profesor Lityńskiej, z zapałem do wykonywania tam pracy magisterskiej, a potem zostałem na studiach doktoranckich. Podczas badań do mojego doktoratu miałem też ogromne szczęście pracować w zagranicznych ośrodkach, w których glikobiologia jako osobna dziedzina biochemii właściwie się narodziła (m.in. w Instytucie Glikobiologii w Oxfordzie). To była prawdziwa szkoła biochemii glikanów, ale też wspaniała naukowa przygoda. Koniec końców, od tego kursu na studiach minęło już ponad 20 lat, a teraz w Collegium Medicum UJ od niedawna mam przyjemność kierować Laboratorium Glikomiki CDT-CARD, pierwszej w Polsce pracowni zajmującej się zaawansowaną analizą glikanów w układach biologicznych.
Jaki jest związek między nieprawidłową glikozylacją a chorobami nowotworowymi?
Tak, taki związek zdecydowanie istnieje. Co więcej, pierwsze obserwacje, że transformacji nowotworowej towarzyszy zmieniona glikozylacja, opisano już ponad 50 lat temu. Udowodniono wtedy, że do komórek nowotworowych silniej wiążą się niektóre lektyny roślinne. Lektyny to białka mające zdolność do rozpoznawania specyficznych motywów cukrowych. Badania te oczywiście kontynuowano z wykorzystaniem coraz dokładniejszych metod analitycznych i dzisiaj już z całą pewnością wiemy, że faktycznie w przypadku nowotworów dochodzi do charakterystycznych zmian w strukturze ich glikanów. Bardzo rzadko jednak są to zmiany zupełnie nowe dla organizmu, czyli nie jest niestety tak, że powstaje nowy „nowotworowy” glikan, którego nigdzie indziej w ustroju nie spotkamy. To oczywiście pewne rozczarowanie, bo taki unikatowy oligosacharyd mógłby być potencjalnie doskonałym celem terapeutycznym. Tym niemniej, na pewno zmiany w glikozylacji towarzyszące nowotworzeniu nie są przypadkowe i chaotyczne i da się je ująć w pewne ramy. Wiemy również, że mają swoje znaczenie funkcjonalne, tzn. na przykład „pomagają” komórkom nowotworowym migrować (czyli w domyśle uzyskiwać możliwość do formowania przerzutów) czy też unikać „zainteresowania” ze strony naszego własnego układu odpornościowego. Żeby oczywiście wykazać to funkcjonalne znaczenie glikanów w bardzo złożonej biologii nowotworów, musiało upłynąć sporo czasu. Te badania zresztą nadal intensywnie trwają.
Czy analiza glikanów może nam realnie pomóc w walce z rakiem? A jeśli tak, to w jakim zakresie i na jakich „odcinkach”?
Obecnie mamy nowe możliwości analityczne, pozwalające bardzo dokładnie charakteryzować jakościowo, ale też ilościowo oligosacharydy komórkowe. Zdecydowanie więc jestem zdania, że analiza glikanów może wspomóc walkę z rakiem. Wskazałbym tutaj dwa, według mnie najważniejsze, wątki. Z jednej strony dokładna analiza glikozylacji konkretnych białek nowotworowych czy też komórek bądź tkanek zmienionych nowotworowo może wspomagać tradycyjną diagnostykę onkologiczną. Chodzi tutaj przede wszystkim o wczesne wykrywanie choroby, jeszcze przed wystąpieniem objawów klinicznych. Glikomika może też potencjalnie poszerzyć możliwości tzw. stratyfikacji pacjentów onkologicznych, czyli grupowania ich pod kątem np. większego lub mniejszego ryzyka do tworzenia odległych przerzutów, pod względem zaawansowania rozwoju choroby nowotworowej czy, wreszcie, odpowiedzi na leczenie. Na tych polach współczesna medycyna wciąż ma spore ograniczenia. Drugą, bardzo obiecującą ścieżką, jest wykorzystanie wiedzy o glikanach do rozwoju czy też „ulepszania” nowoczesnych terapii przeciwnowotworowych, przede wszystkim terapii biologicznych, jak chociażby immunoterapia. Tego typu próby są już podejmowane w badaniach klinicznych.
Realizujesz teraz badania w ramach kilku prestiżowych grantów. Czy mógłbyś o nich nieco powiedzieć?
Rzeczywiście, choć wolę unikać określenia, że te granty to coś prestiżowego. W każdym razie na pewno nie powinno być tak, że uzyskanie finansowania na badania naukowe to osiągnięcie ponadprzeciętne. Pozwolisz, że trochę przy tej okazji ponarzekam, ale od wielu lat mamy w Polsce postępującą zapaść finansowania badań naukowych. W rezultacie zdobycie pieniędzy na realizację projektu naukowego rzeczywiście graniczy z cudem. Wynika to niestety właśnie z tego niedofinansowania, bo pomysłów badacze mają naprawdę bardzo dużo, a wiele z nich jest niezwykle wartościowych i wartych, aby je rozwijać. Żeby nauka utrzymywała się na wysokim poziomie, napędzała innowacje i aby młodzi naukowcy nie wyjeżdżali za granicę, by tam zostać już na stałe, większość z tych dobrych, a tym bardziej bardzo dobrych, aplikacji grantowych powinna mieć duże szanse na uzyskanie wsparcia.
Wracając jednak do grantów, w które jestem zaangażowany, to są to dwie odrębne ścieżki, choć oczywiście obie związane z glikozylacją. Pierwszy z nich dotyczy roli zmian w glikozylacji komórek nabłonkowych wyścielających przewód pokarmowy, a konkretnie jelito, w utrzymywaniu integralności tzw. bariery jelitowej. Kilka lat temu wykazaliśmy, że różnicowaniu niektórych typów komórek nabłonka towarzyszą dosyć charakterystyczne zmiany w ich glikomie. Teraz staramy się kontynuować te badania, aby poznać rolę tych konkretnych rearanżacji glikanowych w zdrowym jelicie, ale też w tkance objętej stanem zapalnym. Badania te mają charakter bardzo podstawowy, choć gdzieś zahaczają o obszar tzw. nieswoistych zapaleń jelit, jak choroba Leśniowskiego i Crohna czy wrzodziejące zapalenie jelita grubego. Drugim projektem jest grant w konsorcjum, którego liderem jest zespół dr Agnieszki Graczyk-Jarzynki z Instytutu Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. Mirosława Mossakowskiego PAN w Warszawie. Te badania mają już bardziej aplikacyjny charakter. Staramy się w nich poprzez „sterowanie” glikozylacją komórek odpornościowych zwiększyć skuteczność tzw. terapii CAR-T. To rodzaj bardzo zaawansowanej, ale i obiecującej onkologicznej immunoterapii komórkowej. Przynosi ona dobre efekty w hematoonkologii, jednak w przypadku tzw. guzów litych jej skuteczność jest wciąż niewystarczająca. Naszym zdaniem odpowiednie „dostrojenie” glikozylacji komórek CAR-T może wpłynąć na zwiększenie ich skuteczności terapeutycznej.
Domyślam się, że badanie glikanów jest nie tylko trudne, ale i kosztowne.
Powiem więcej: właściwie cała współczesna biologia czy biomedycyna eksperymentalna to badania niezwykle kosztowne. Rozwój nauki i technologii ostatnich kilkudziesięciu lat doprowadził do momentu, w którym, aby odpowiedzieć na nurtujące nas pytania, musimy drążyć coraz głębiej i poznawać coraz więcej szczegółów, a to wymaga zaangażowania coraz bardziej wyrafinowanych narzędzi badawczych. Nie inaczej jest w przypadku glikobiologii i glikomiki. Chociażby te wątki, o których wspomniałem w kontekście badań nad nowotworami, wymagają bardzo dokładnej analizy strukturalnej, ale i ilościowej glikanów. Jest to o tyle utrudnione, że oligosacharydy komórkowe są niewdzięcznym przedmiotem badań, przede wszystkim ze względu na ich specyficzną budowę chemiczną. Nie są to cząsteczki liniowe, tak jak chociażby DNA czy białka, ale zazwyczaj porozgałęziane i o dużym zakresie tzw. izomerii położeniowej. Jednym słowem, do ich analizy musimy stosować bardzo zaawansowane instrumentarium.
Jaka to aparatura?
Obecnie takim złotym standardem w analizach glikomicznych jest wysokosprawna chromatografia cieczowa oraz przede wszystkim spektrometria masowa. Oczywiście sam instrument nie wystarczy – bez szczegółowej wiedzy na temat budowy oraz biosyntezy glikanów, czyli popularnie nazywanego „know-how” badaczy, niewiele wskóramy. W Collegium Medicum UJ mamy to szczęście, że strategia rozwoju naukowego uczelni od dłuższego już czasu opiera się w dużej mierze na rozbudowie infrastruktury badawczej. Dzięki pozyskaniu dużego wsparcia finansowego z funduszy strukturalnych udało nam się stworzyć centrum CDT-CARD, skupiające w jednym miejscu najnowocześniejszy, chyba obecnie w Polsce, wachlarz aparatury badawczej, wykorzystywanej w biomedycynie i farmacji. Myślę, że teraz pora na adekwatne inwestycje w kapitał ludzki, tak aby ta szansa nie została zmarnowana.
Jakich rad udzieliłbyś młodym badaczkom i badaczom znajdującym się na progu naukowej kariery?
Te rady są dosyć proste, choć ich realizacja czasami bywa trudna. Po pierwsze, zaufajcie swojej pasji, a po drugie, nie zrażajcie się porażkami. Większość osiągnięć naukowych jest poprzedzona setkami błędów i niepowodzeń. Myślę, że tylko prawdziwa naukowa pasja poznawania pozwala badaczom mimo wszystko nie poddawać się i próbować dalej. Specyfika różnych dziedzin nauki bywa bardzo różna, ale te wskazówki są chyba dosyć uniwersalne.
