Snažíme se pochopit, proč dochází k zániku synapsí v mozku

Ta metoda je v České republice dosud zcela neznámá, avšak má před sebou velkou budoucnost. Pod tajemným názvem hyperpolarizace v NMR spektroskopii se skrývá unikátní možnost podívat se hlouběji do struktury a dynamiky proteinů a doplnit chybějící informace v celé proteinové chemii.

Ve skupině prof. Menarda zkoumá mechanismus zániku synapsí v mozku. „Pokud pochopíme, jak zánik synapsí v mozku funguje na molekulární úrovni, budeme moci tento proces ovlivňovat. Budeme schopni navrhnout léčivo, které může zánik synapsí a s nimi spojený vznik neurodegenerativních onemocnění včetně Alzheimerovy choroby zpomalit. To je asi největší možný dopad, který by náš výzkum mohl mít,“ vysvětluje Vojtěch Kapras.

O grant nadace Experientia jste žádal s projektem, jehož cílem je osvětlení mechanismu zániku synapsí v mozku. Jak si můžeme tento proces představit?
Synapse si můžeme představit jako kontakty, kterými si neurony v mozku předávají informace. Jejich zánik je normální proces, ke kterému dochází pokaždé, když zapomínáme nějaké nepodstatné informace. Problém vzniká až v momentě, kdy k zániku synapsí dochází ve zvýšené míře, například při neurodegenerativních onemocněních. Jelikož jsme chemičtí biologové, zkoumáme biologické otázky (v tomto případě zánik synapsí) pomocí chemických metod. Chemická metoda, kterou rozvíjíme, spočívá ve značení proteinů.

Jak toto značení proteinů probíhá?
Ideálně bychom měli být schopni vybrat si jeden protein v organismu a dopravit k němu cílenou chemickou značku. Tato značka by se měla navázat na protein a umožnit nám, abychom mohli protein pomocí fluorescenční spektroskopie sledovat pod mikroskopem. Vybereme si látku, která se velmi pevně váže na protein – typicky to bývá léčivo nebo výzkumná chemikálie. Na tuto sondu navážeme reaktivní řetízek a fluorescenční barvivo. V momentě, kdy se reakční řetízek dostane do blízkosti proteinu, se reaktivní řetízek přesmykne na protein a protein dále ponese fluorescenční značku. Léčivo se potom uvolní z proteinu, je odbouráno metabolismem. Tímto způsobem dostaneme označený ale zároveň plně funkční protein, který může vázat cokoliv dalšího, například ostatní proteiny. Je to jedna z výzev chemické biologie, protože dosud se používaly především značky, které se vážou přímo do vazebného místa pro léčivo, a tím pádem už není možné, aby se na toto místo navázala další molekula, neboť se takto protein stane částečně nebo úplně nefunkčním.

Ve vašem výzkumu zkoumáte, jakou roli hraje v zániku synapsí v mozku specifický protein integrin, na co jste přišli?
Integrin ITG je protein, který je zodpovědný za upevnění buněk v extracellulární matrici, což je v podstatě takové lešení, které drží buňky pohromadě v tkáni. Kromě něj zkoumáme ještě funkci proteinu MFG (milk fat globule) E8, což je protein, který byl izolován z mléka a v buňkách imunitního systému slouží k rozpoznávání buněk, které jsou určené k likvidaci a následně jsou pohlcené buňkami imunitního systému. Tento protein se váže na integrin a předpokládáme, že právě souhra těchto dvou proteinů by mohla být zodpovědná za rozpojování a zánik synapsí, které ovlivňuje imunitní systém v mozku, tedy gliové buňky – astrocyty nebo mikroglie. Pomocí fluorescenčních značek jsme si chtěli na tento problém posvítit.

Jak konkrétně probíhal váš výzkum?
První půlka projektu spočívala v přípravě značících molekul organickou syntézou, při které jsme látky připravovali, izolovali a analyzovali. Cílem této fáze bylo z finančně dostupných komerčních materiálů (většinou barviv) připravit léčivo, reaktivní řetízek a fluorescenční značku a spojit to celé dohromady tak, aby se vytvořila funkční sonda. Tato část projektu nám zabrala zhruba tři čtvrtě roku.

V jaké fázi se nacházíte nyní?
V rámci modelových experimentůjsme zatím připravili léčivo s nereaktivním řetízkem s fluorescenční značkou. Nyní testujeme, jak sonda ovlivňuje buňky. Funguje totiž ve stejném vazebném místě, to znamená, že můžeme zkoumat, jestli zastavíme funkci proteinu či nikoliv. Zároveň se můžeme podívat na to, kde se protein v buňce vyskytuje, a zkoumáme, jak to ovlivňuje pohlcování ostatních buněk a jestli se fluorescenční značka přenáší na protein tak, jak my chceme, anebo ne. Dále budeme studovat, jak budou naše dva proteiny interagovat v prostředí mezi neuronem a gliovými buňkami.

Proč je důležité dívat se na mozek optikou molekulární úrovně?
Je to další úhel pohledu, my chemici nabízíme trošku jinou informaci, než kterou přináší studium mozku z pohledu biologů. Pochopit, jak zánik synapsí v mozku funguje na molekulární úrovni, nám umožňuje tento proces ovlivňovat. Zánik synapsí můžeme buď urychlit, nebo naopak zpomalit. Pokud bychom věděli, jak zánik synapsí funguje a jak spolu proteiny interagují, můžeme navrhnout léčivo, které může zánik synapsí zpomalit. To je asi největší možný dopad, který by náš výzkum mohl mít.

Co mohou vaše objevy znamenat pro léčbu neurodegenerativních onemocnění, například Alzheimerovy choroby?
Problém s výzkumem Alzheimera nebo ostatních neurodegenerativních onemocnění je, že nikdo přesně neví, co je způsobuje. Jedna z hlavních hypotéz vzniku Alzheimera doposud byla přítomnost amyloidových plaků. Lidé, kteří mají amyloidové plaky ovšem ještě zdaleka nemusí mít Alzheimera. Farmaceutický průmysl se snažil odbourávat plaky téměř 30 let, ale k žádnému pokroku v léčbě nemoci to nevedlo. Jsem přesvědčený o tom, že to není cesta k úspěchu. Naopak, ukazuje se, že právě zánik synapsí je jedním z hlavních jevů, který onemocnění předchází. Budeme-li s jistotou vědět, co je pravou příčinou vzniku onemocnění, budeme ho moci zmírnit nebo zastavit.

Je ještě nějaké další potenciální využití vaší metody?
Jistě, naše metoda je obecná a v případě, že by fungovala, bychom mohli na jakýkoliv protein v jakémkoliv organismu navázat sondu a v podstatě bychom tím mohli suplovat protilátky, které se v současné době využívají ke značení proteinů. Protilátky jsou samozřejmě úžasným nástrojem, který umožnil spoustu věcí. Na druhou stranu ale mají také svoje nevýhody, především to, že jsou velmi variabilní. Jeden měsíc si koupíte protilátku, která vám funguje skvěle, a když si ji koupíte za půl roku, nebude vám fungovat vůbec, i když bude od stejného dodavatele. Protilátky jsou také dost drahé, jedna várka stojí kolem 500 dolarů. V případě protilátek kupujete trošku zajíce v pytli. Navíc si nikdo není jistý jejich specificitou. Protilátky by měly být poměrně selektivní, ale často tomu tak nebývá. Metoda, kterou vyvíjíme, je v podstatě alternativní přístup k protilátkám. Pokud budeme moci nabídnout jiné možnosti, bude to asi největší přínos celého výzkumu. Alzheimera asi nevyléčíme, pokud ale bude naše chemická metoda fungovat, existuje reálná šance, že bude mít tato metoda přesah do celé biochemie a medicíny.

Jaký byl důvod, proč jste se vy osobně specializoval právě na tuto oblast chemie?
Vždy mě zajímala organická chemie, mám rád molekulární pohled. Především mě ovšem zajímá, jak funguje mozek. Je to jedna z nejzajímavějších výzev, kterým v tomto století čelíme. Když jsem začal dělat organickou chemii, pracovali jsme na neurosteroidech, což jsou v podstatě hormony v mozku. Díky tomu jsem získal určitý náhled na to, jak neurony komunikují. Výzkum zániku synapsí v mozku je příbuzná oblast, ve které mohu využít svých znalostí organické syntézy a ve které si mohu rozšiřovatsvé biologické vědomosti. Zajímá mě především to, jak funguje komunikace mezi neurony na molekulární úrovni. V roce 2008 byl objeven imunitní systém mozku, gliové buňky. To je oblast, která zažívá obrovský boom a pro mě je to šance a úžasná možnost strčit nohu do dveří, které se otevírají a účastnit se tohoto výzkumu.

Díky grantu Nadace Experientia jste vycestoval na roční pobyt ve skupině prof. Menarda University of British Columbia v Kanadě. Čím vás vlastně prof. Menard oslovil?
Bylo to hlavně téma. Prof. Menard se zabývá výzkumnou oblastí na hraně současného výzkumu, tzv. cutting-edge. Pro mě to byla šance pracovat se svými chemickými znalostmi na poli biologie. Dále jsem se pro skupinu prof. Menarda v Britské Kolumbii rozhodl proto, že je tady velmi dobré vědecké zázemí, krásná příroda, hory, spousta vinic…

Na čem pracuje výzkumný tým prof. Menarda a jakou část výzkumu jste u něj měl na starosti vy?
Skupina prof. Menarda je poměrně nová, byla založena v roce 2013. V době, kdy jsem přijel, fungovala teprve dva roky, dá se tedy říci, že jsem jedním z průkopníků. Tým profesora Menarda tvoří biologové a chemici. Chemici pracovali na fluorescenčním barvivu a na vývoji reakčního řetízku. Já jsem byl ovšem ten, který tento koncept spojil dohromady. Měl jsem výhodu, fluorescenční značku jsem měl už připravenou z domova, přivezl jsem si ji z Čech v náprsní kapse, díky tomu jsem měl první značku hotovou během pár měsíců. Nyní už spolupracuji s biology. Protože jsem chemik, tak se musím učit spoustu nových věcí, což je na jednu stranu zábava, ale zabere to samozřejmě více času.

Vy se ve svém výzkumu věnujete i biologii?
Ano, učím se molekulární biologii, připravuji si proteiny, buňky a potom je sleduji pod mikroskopem a studuji, jak fungují. Pracuji na tom společně s kamarádem biologem, který mi hodně pomáhá, ale i biologický výzkum provádím vlastníma rukama.

Jak vypadá spolupráce s prof. Menardem? Jakým systémem pracuje a co jste se od něj zásadního přiučil?
Fascinuje mě na něm hlavně to, že je výborný pedagog. Má velmi osobitý styl a dokáže perfektně vysvětlovat věci. To je vlastnost, kterou se od něj učím. Je zážitek se s ním bavit o čemkoliv, styl myšlení je maličko jiný. Prof. Menard je velmi orientován na výsledek. Najde si velké  téma , které by mohlo mít dopad i na příbuzné obory. V tomto případě se jedná o vývoj chemické značky. Ihned poté, co téma vymyslí, se začne ptát, jestli to ostatním vědcům bude k něčemu prospěšné, nebo je to jen slepá ulička, která bude užitečná pouze pro nás. Pokud dojde k závěru, že by výzkum mohl být užitečný i pro ostatní, tak se do něj pustí a zároveň začne budovat síť spoluprací mezi kamarády, známými, vědci z příbuzných oborů a začne myšlenku propagovat.

Jaké byly vaše dojmy z University of British Columbia? V čem se tamní vědecké prostředí liší od českého?
Tamní vědecké prostředí se mi zdá více provázané. Kontaktní sítě jsou daleko rozsáhlejší –nejen v Kanadě, ale i ve Spojených státech amerických, možností spolupráce je tu opravdu mnoho. Spolupráce ovšem nepřekračuje jen hranice států, ale také hranice oborů. Ty se už nějakou dobu poměrně rychle začínají stírat. Chemie expanduje do biologie, biologie expanduje do chemie, do všeho trochu expanduje fyzika atd. A všechny tyto spolupráce jsou nesmírně důležité.

Jaký cíl stáže jste si vytkl, když jste na ni jel?
Kromě výzkumného cíle se se toho naučit co nejvíc, zkusit pochopit, jak funguje mentalita zdejších lidí, jak se učí jinde ve světě…

Jsou na obzoru nějaké publikace?
Ano, připravujeme publikaci s nereaktivní značkou a já doufám, že bude následovat publikace týkající se reaktivní značky.

Mnoho stipendistů si svůj zahraniční pobyt prodloužilo, vy jste byl jedním z nich. Na čem v Kanadě aktuálně pracujete?
Ve skupině prof. Menarda jsem strávil rok díky Nadaci Experientia a nyní zde působím na výzkumné pozici, kterou už financuje prof. Menard. Také zde učím organickou chemii, a tak jsem částečně placený univerzitou.

V čem je učení na kanadské univerzitě specifické?
Jedná se o anglosaský systém, který funguje jinak než německý, kterého je český součástí. Anglosaský systém klade velký důraz na rozvoj individuálního kritického myšlení spíše než na memorování, což má svoje klade i zápory. Při přednáškách se klade důraz na detaily oproti množství dat. Vezme se jeden příklad, který se rozebere do nejmenších podrobností.

Bylo pro vás obtížné se na tento systém adaptovat?
Ani ne, je to poměrně přirozené, protože kritické myšlení je ve výzkumu nezbytné. I když jsem prošel českým systémem, oklikou jsem dospěl ke stejnému poznání. Ano, v českých podmínkách to trvá déle a člověk to musí vstřebat a pochopit sám, kdežto zde to studenty aktivně učí, takže se do stejného stadia poznání dostanou dříve. Zase ale nemají takový znalostní rozsah, jako mají čeští nebo němečtí studenti.

Jaké jsou vaše plány do budoucna?
Předpokládám, že si zdejší pobyt ještě o chvíli prodloužím a pak si začnu hledat pozici jinde. Nemůžete setrvávat delší dobu na stejném místě. Budu si hledat pozici začínajícího mladého profesora v Čechách nebo v zahraničí. Co vím jistě, je to, že se chci věnovat výzkumu.

Můžete na závěr říci, co pro vás osobně znamenal grant od Nadace Experientia a jak vás stáž, na kterou jste mohl díky nadaci vycestovat, kariérně, ale třeba i lidsky posunula?
Je to ohromná příležitost. Cenil jsem zejména to, že jsem si mohl vybrat, co budu dělat. Mohl jsem rozšířit směr, kterým jsem se chtěl původně vydat. Díky stáži jsem se naučil spoustu nových věcí, jednak porozumět biologům, zkusit si, co dělají, jaké jsou jejich problémy, ale také dívat se na problematiku z chemického hlediska. Také jsem poznal jiný způsob myšlení a výuky.

Co byste vzkázal potenciálním žadatelům o grant Nadace Experientia?
Za prvé: Vybrat si téma, které přímo nesouvisí s tím, co uchazeč dělal předtím. Vybrat si typ výzkumu, se kterým nemá zkušenost, ale který ho zajímá. Je to nejsnazší a zároveň poslední možnost, jak si vyzkoušet nové techniky, postupy a myšlení a mít přitom učitele/mentora. V pozdějších stádiích akademického života už si člověk musí poradit sám nebo se spolupracovníky. S vlastním financováním, tedy od Nadace Experientia, je to mnohem snazší, než když vás platí šéf ze svého grantu a přepočítává každý vynaložený dolar na výsledky.

Za druhé rada praktická: Doporučuji zkontaktovat vedle potenciálního školitele i nějaké studenty z jeho skupiny, aby si člověk udělal obrázek, jak to tam chodí. Lze tak identifikovat potenciální “blbou náladu” ve skupině. Někteří školitelé jsou notoricky známí, takže stačí kontaktovat aspoň někoho na stejné škole ve stejném oboru.
Té prvé rady jsem se osobně držel a skvěle se mi osvědčila, ta druhá mě napadla až zpětně, ale měl jsem kliku a dobře to dopadlo.

Vojtěch Kapras

se narodil v roce 1984 v Praze. Magisterské studium organické chemie absolvoval na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Po ukončení Ph.D. studia na ÚOCHB v Praze vycestoval díky grantu Nadace Experientia ve výši 880 tisíc korun na postdoktorandskou stáž na kanadskou University of British Columbia k prof. Menardovi. Ten mu kvůli úspěšnému projektu pobyt v Britské Kolumbii ještě o rok prodloužil. Dnes Vojtěch na University of British Columbia přednáší organickou chemii.

Další stipendisté:

Řekli o nás

“Mám radost z toho, že můžu naplnit ideu Nadace Experientia, vrátit zkušenosti ze zahraničí zpět české vědě a přinést zajímavá témata.”

Mgr. Ondřej Kováč, Ph.D.

“Díky stipendiu Nadace Experientia můžu pracovat na jednom z nejmodernějších pracovišť v Japonsku v kolektivu lidí z celého světa.”

Mgr. Dominik Madea, Ph.D.

“Yale pro mě symbolizuje prestiž. Je to jedna z předních světových univerzit. A já tam teď budu moci díky Nadaci Experientia strávit celý rok.”

Ing. Karolína Vaňková, Ph.D.

“Svým studentům jsem díky Bezva chemii mohla přiblížit tajemství a krásu chemie, která se skrývá v každém všednodenním kousku našich životů.”

Mgr. Veronika Fialová