Před třemi lety Jan Křivánek zpracoval atlas myších zubních buněk, provedl jejich kategorizaci, popsal, jak fungují a při té příležitosti objevil i několik dosud neznámých buněčných typů. Dnes už docent a vedoucí vlastní výzkumné skupiny na Ústavu histologie a embryologie Lékařské fakulty Masarykovy univerzity může hovořit nejen o vášni, ale o životním projektu, prostřednictvím kterého přináší zásadní poznatky z oblasti základní vývojové biologie. Představa, že nám porostou třetí zuby, je sice předčasná, v regenerativní medicíně, při testování nových přístupů v hojení ran anebo při sledování vývojových vad kostí a zubů však na nich lze stavět už dnes. O aktuálním úspěchu doc. Mgr. Jana Křivánka, Ph.D. a jeho kolegů v podobě nové univerzální metody umožňující monitoring a kvantifikaci dynamiky růstu kostí a zubů napříč jednotlivými druhy, čerstvě referuje i prestižní vědecký žurnál Science Advances.
Kdy jste se začal věnovat výzkumu zubních kmenových buněk?
Už během Ph.D. studia v Brně. Ovšem skutečnou vášeň ve mně probudil až pobyt ve Švédsku, na Karolinska Institutet, kde jsem měl možnost zkoumat stavbu a vývoj zubu přímo na živých organismech. Tehdy jsem taky dostal pracovní nabídku jít na postdoka do Vídně, kde jsem se začal věnovat výzkumu zubu na sto procent a začali jsme využívat nově přicházející techniky analýzy stavby a funkce tkání na úrovni jednotlivých buněk k tomu, abychom zmapovali všechny buňky v zubech. Nejen v myších, ale i v lidských.
Kdy se vaše pozornost zaměřila na regeneraci zubních tkání? Vyplynulo to z fascinace živočišnou říší, v níž třeba právě myším dorůstají řezáky, a představou, proč by takové „věčné zuby“ nemohl mít i člověk?
To je dobrá otázka, jelikož lidská schopnost regenerace je poměrně omezená. Alespoň ve srovnání s některými jinými živočichy, ať už jde příkladně o mloky, kterým může dorůst celá ztracená končetina, nebo právě o myši, jimž zuby rostou pořád. To je strašně zajímavé, jelikož u nich musí být neustále aktivní kmenové buňky, které kontinuálně tvoří tvrdé zubní tkáně – zubovinu a sklovinu. My se jejich studiem snažíme pochopit obecné principy regenerace orgánů a tkání, což třeba může časem vést k objevům nových přístupů v regenerativní medicíně.
Na co nejzásadnějšího jste za dobu, co se tématu věnujete, přišel?
Projekt Atlas zubních buněk přinesl obrovské množství dat, z nichž jsme se zaměřili na dvě hlavní věci. Tou první jsou kmenové buňky, u nichž jsme jednak objevili několik zcela nových typů a do určité míry jsme popsali, jak fungují. A taky jsme popsali, jak tyto buňky dále diferencují. Pro kmenové buňky je totiž charakteristický jejich vysoký diferenciační potenciál. Obrazně si to můžete představit jako kmen stromu, který se větví až do koncových (diferencovaných) větviček. Obdobně kmenová, pluripotentní, buňka má schopnost se přetvořit do jakékoliv buňky v našem těle. Ten proces diferenciace, tedy specifikace do funkčních tkání, je však velice složitý. Nám se podařilo popsat, jakým způsobem se kmenové buňky v zubech můžou přetvářet do funkčních buněk, které se podílí na různých rolích v rámci zubu. To znamená, jaké molekulární dráhy jsou v nich postupně aktivované.
Čili tato katalogizace kmenových buněk položila základ pro váš další výzkum…
Ano. Ono je hrozně důležité pochopit, jak věci fungují in vivo, tedy v živých organismech. Což se nám do jisté míry podařilo a teď se snažíme ukázat, že lze tyto znalosti taky aplikovat.
„Myším nejenže zuby dorůstají. Ale když si myš zub ulomí, tak ten růst se dramaticky zrychlí. My už to teď dokážeme popsat a kvantifikovat.“
doc. Mgr. Jan Křivánek, Ph.D.
Pomoci tomu má i vámi vyvinutá metoda BEE-ST, umožňující monitoring a kvantifikaci vývoje a regenerace kalcifikovaných tkání v prostoru a čase. Můžete shrnout, oč jde?
Dokážeme díky ní ve všech třech rozměrech i v čase sledovat vývoj tvrdých tkání, tedy kostí a zubů. Vyvinuli jsme ji, jelikož jsme chtěli zjistit, jakým tempem dorůstá myším zub. On je totiž zajímavý nejen samotný fakt, že dorůstá, ale i to, že když si ho myš ulomí, tak se u ní evolučně vyvinul zvláštní princip, že ten zub svůj růst dokonce zrychlí. A to dramaticky. My jsme teď dokázali v mikrometrových měřítcích popsat a kvantifikovat, jak rychle dorůstá, jaké jsou rozdílnosti u samců a samiček nebo u mladých a starých jedinců. Paralelně jsme přitom přišli na to, že naše metoda se dá použít nejen na řezáky, na které jsme se soustředili původně, ale i na ostatní zuby a kosti.
Zjistili jste, jaké faktory tento růst ovlivňují?
Významnou roli hraje například složení stravy. Třeba to, kdy malá myš přejde z měkké stravy na pevnou, respektive kdy začne ty zuby používat, což pak ovlivňuje délku zubního kořene…
Čili pokud bychom se bavili o lidech, tak jakou má životosprávu…
(usměje se) Ano. Já to nechci úplně převádět do lidské medicíny, protože takové výsledky nemáme, ale teoreticky naše poznatky můžou nasvědčovat, že čas, kdy dítě přejde z kojení na pevnou stravu může ovlivnit výslednou délku jeho zubů. Teoreticky!
Čemuž by nahrávalo i vaše dřívější zjištění, že některé myší zubní buňky jsou shodné s těmi lidskými, ne?
Nejen některé, ale drtivá většina vypadá velice podobně! Takže i když myší a lidské zuby vypadají na pohled jinak, na molekulární a buněčné úrovni jsou obdobné. I proto můžeme použít myš jako náš model výzkumu a vztáhnout tyto výsledky i pro lidskou dentici. Ale znovu opakuju, výsledky u lidí měřené nemáme, takže jde jen o předpoklad.
Je namístě uvažovat, že pokud by člověk víc hlodal, než žvýkal, tak se u něj evolučně vyvine taky tento regenerační mechanismus?
O tom myslím ve velmi dlouhodobém časovém horizontu, není pochyb. Zuby jsou napříč organismy nesmírně variabilní útvary; od myších hlodáků, přes sloní kly až třeba po žraločí stále se měnící generace zubů. Ta evoluce probíhá neustále i teď u nás, když se podíváme, že člověku například postupně mizí zuby moudrosti…
Možná se zeptám mimo téma, ale člověku dorůstají krom chlupů a vlasů taky nehty, tedy deriváty kůže. Dají se tyto poznatky uplatnit ve vašem výzkumu?
To není vůbec mimo téma, protože vývoj některých derivátů kůže probíhá na buněčné úrovni velmi podobně jako u zubů… U myší dokonce výjimečně pozorujeme, že jim ze zubů vyrůstají chlupy. Nechci zacházet do detailů, ale molekulárně u nich dojde k něčemu jen lehce nesprávnému a buňky, které mají vytvořit zubní buňky vytvoří chlup, který pak vyrůstá ze stejného základu jako zub. Což je dáno tím, že vývojově mají podobnou historii.
Podstatnou součástí metody BEE-ST je nalezení optimální kombinace chemických barviv, s nimiž můžete růst zubů sledovat, že?
Naše metoda staví na kombinaci několika přístupů, z nichž o některých se ví už dlouho. Barviva, která začleňujeme do nově vznikajících kalcifikovaných tkání, jsou známá spoustu let. Existují jich však desítky, které jsme otestovali, a nakonec vybrali dvě – alizarin a kalcein – které fungují nejlíp. Ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou (týmem docentky Marcely Buchtové a doktora Jakuba Harnoše) jsme je navíc dokázali aplikovat u různých živočichů – kromě myší taky u ryb, plazů, ptáků i obojživelníků – a zjistili jsme, že fungují univerzálně. K tomu jsme sepsali přesné postupy, jak je aplikovat, a vymysleli nové přístupy pro jejich vizualizaci a následně kvantifikaci. Zjistili jsme i to, že naše metoda lze použít také při monitoringu hojení ran.
Testování na více živočiších zvyšuje onu univerzálnost metody a ve finále i prestiž výsledků samotných, chápu to správně?
Přesně tak. My navíc dlouhodobě a rádi spolupracujeme s Přírodovědeckou fakultou. Chtěli jsme hlavně ale ukázat, že naši metodu lze využít všude tam, kde se tvoří tvrdé tkáně založené na vápníku.
Váš článek přitom není jen o vývoji nové zobrazovací metody, ale už i o výsledcích, kterých se vám s její pomocí podařilo dosáhnout…
Ano, což je třeba právě popis oné detailní dynamiky růstu myších řezáků nebo stoliček. O tom se dosud vůbec nevědělo. Mohli jsme naše zjištění rozdělit na několik menších článků, ale cílili jsme spíše na to mít jeden rozsáhlý komplexní článek, který bychom mohli poslat do prestižního vědeckého časopisu.
Text je primárně metodologický, zmiňujete však, že v budoucnu by mohla být vaše metoda využívána v oblastech jako je vývojová biologie, tkáňové či zubní inženýrství…
Ano, protože s její pomocí můžeme na animálních modelech testovat nové přístupy v hojení ran, kostí, v regenerativní zubní medicíně anebo sledovat různé defekty jako jsou vrozené vývojové vady kostí a zubů. U nich můžeme například pozorovat, kdy přesně se vývoj kostí nebo zubů zastaví… Dnes už je možné v laboratorních podmínkách vytvořit myš, která bude modelovat nějaké onemocnění a my pak s pomocí těchto modelů můžeme vymýšlet nové diagnostické přístupy, nová léčiva nebo zkoumat nové zákroky a zjišťovat tak, jak by bylo možné zlepšovat kvalitu života i u lidí. Naše metoda tak umožní sledovat třeba i účinnost léčby u těchto zvířat. Když máme dvě myši s genetickou poruchou kostí nebo zubů, z nichž jednu léčíme a druhou ne, oběma podáváme zmíněná barviva a pozorováním v čase můžeme zjistit nejen jestli ta léčba byla účinná, ale kdy přesně a jak zabrala. S takovou informací pak dokážeme přesněji vymyslet, jakým způsobem ten organismus léčit.
Jaká je další fáze vašeho výzkumu zubních tkání?
Aktuálně se intenzivně věnujeme schopnosti opravovat zuby a tomu, jak se na opravě, respektive rychlosti růstu zubů podílejí kmenové buňky. Jak už jsem zmínil, dosud nikdo nezjistil, čím to je, že myším tak strašně rychle doroste ulomený řezák. Nikdo neví, jak je to detekováno, jakým způsobem to ovlivňují kmenové buňky a nikdo nedokázal rychlost růstu přesně kvantifikovat. My už to teď dokážeme, a tak můžeme zub a jeho dorůstání modelovat. Zjišťujeme přitom mechanismy, které za tím stojí, a odhalujeme nové vlastnosti kmenových buněk, které zub obnovují. Metoda BEE-ST toto všechno protíná, protože díky ní dokážeme přesně zjistit, kdy zub doroste, co se musí stát, aby začal růst anebo kdy zase růst zpomalí.
Publikace výzkumu v magazínu Science Advances 2023/08 Reportáž na Českém rozhlasu
Jak rychle rostou zuby, co dynamiku jejich růstu ovlivňuje a jak zubní tkáně regenerují. To vše v detailu umožňuje sledovat nová monitorovací metoda vyvinutá výzkumnou skupinou doc. Mgr. Jana Křivánka, Ph.D.
V roce 2011 vyrážel Ondřej Zvěřina na Antarktidu poprvé. Letos se na ni vrátil už potřetí jako zkušený polárník. Se spacákem, ešusem a lžící.
