Ovzduší, které dýcháme, může měnit naše buňky. Česká studie ukazuje, co se děje uvnitř dýchacích cest

Každý den při dýchání dostaneme do plic tisíce litrů okolního prostředí a většinou vůbec nepřemýšlíme o tom, co všechno se spolu s kyslíkem dostává do našich dýchacích cest. Nová česká studie ale ukazuje, že účinky znečištěného ovzduší mohou sahat mnohem hlouběji než k podrážděným očím nebo kašli. Zdravá a astmatická dýchací tkáň na stejné ovzduší nereagovaly stejně.

Měřicí stanice nám každý den poskytují údaje o koncentracích prachových částic různých velikostí, oxidů dusíku, benzo[a]pyrenu a dalších škodlivin. Tato data jsou základem pro hodnocení kvality ovzduší i ochranu veřejného zdraví. Sama o sobě ale neříkají, co přesně se po vdechnutí znečištěného ozduší odehrává uvnitř lidských dýchacích cest.

Právě tuto otázku si položili vědci ze skupiny kolem Ústavu experimentální medicíny Akademie věd České republiky. Ve studii Transcriptional responses to real-world ambient air pollution in healthy and asthmatic human 3D airway models grown at the air-liquid interface publikované v časopise Journal of Hazardous Materials Advances zkoumali, jak skutečné venkovní ovzduší působí na lidskou dýchací tkáň a zda se její reakce liší podle zdravotního stavu dárce.

Výzkum reálné směsi škodlivin na 3D modelu

Nešlo přitom o další experiment, při němž jsou buňky vystaveny jediné konkrétní chemické látce. Výzkumníci použili skutečné venkovní ovzduší, tedy komplexní směs částic a chemických látek, s níž se lidské dýchací cesty setkávají v reálném životě. Právě tato komplexnost je důležitá. Člověk totiž nevdechuje oxidy dusíku, prachové částice nebo benzo[a]pyren odděleně. Do plic se dostává směs látek, jejíž složení se mění podle místa, počasí, dopravy, průmyslu i dalších zdrojů.

Pro experiment vědci využili trojrozměrný model lidských dýchacích cest označovaný jako MucilAir. Je vytvořen z lidských buněk a svou strukturou i vlastnostmi se více podobá skutečnému epitelu dýchacích cest než běžná buněčná kultura pěstovaná na plochém povrchu.

Epitel tvoří povrchovou vrstvu dýchacích cest a představuje jednu z prvních bariér mezi vnějším prostředím a organismem. Není ale jen pasivní ochrannou vrstvou. Podílí se na tvorbě hlenu, obranných reakcích, komunikaci s imunitním systémem i obnově poškozené tkáně.

Modely byly proto pěstovány na takzvaném rozhraní vzduch–kapalina, v odborné literatuře označovaném jako air-liquid interface. Zatímco spodní část tkáně získávala živiny z kultivačního média, její povrch byl vystaven okolnímu ovzduší. Dýchací epitel tak mohl reagovat na skutečnou směs znečišťujících látek způsobem, který se více přibližuje podmínkám v lidských dýchacích cestách.

Nejvýraznější odezvu vyvolalo městské ovzduší

Výzkumníci následně modely vystavili ovzduší na třech místech v České republice. Jedna lokalita představovala prostředí s relativně nízkou zátěží, druhá průmyslovou oblast a třetí městské prostředí. Expozice trvala pět dnů.

Právě městské ovzduší vyvolalo v buňkách nejvýraznější odezvu. Rozdíly mezi lokalitami se přitom promítly nejen do naměřených koncentrací znečišťujících látek, ale také do biologické reakce tkáně. Ovzduší z oblasti s nízkou zátěží a z průmyslového prostředí způsobilo pouze omezené změny.

Městská lokalita vykazovala nejvyšší koncentrace částic PM_2,5 a PM₁₀. Průměrná koncentrace PM_2,5 zde dosahovala 36,6 mikrogramu na metr krychlový a PM₁₀ 40,4 mikrogramu na metr krychlový. Významnou charakteristikou byla také přítomnost benzo[a]pyrenu, jehož průměrná koncentrace dosáhla 5,3 nanogramu na metr krychlový. Benzo[a]pyren patří mezi polycyklické aromatické uhlovodíky a vzniká například při nedokonalém spalování organických materiálů. Je proto typickým ukazatelem některých druhů znečištění spojených se spalovacími procesy.

Rozdílná reakce zdravých a astmatických buněk

Čísla o koncentracích znečišťujících látek ale představovala teprve začátek. Vědce zajímalo především to, co se děje uvnitř buněk.

Proto sledovali takzvaný transkriptom, tedy soubor RNA molekul přítomných v buňce v určitém okamžiku. Analýza transkriptomu umožňuje zjistit, které geny jsou aktivnější a které naopak méně aktivní. Jinými slovy ukazuje, jak buňka na dané podmínky reaguje na úrovni genové aktivity. A právě tady se objevily výrazné rozdíly mezi zdravou a astmatickou tkání.

U buněk pocházejících od zdravých dárců městské ovzduší změnilo aktivitu 164 genů. U 145 z nich aktivita poklesla, zatímco u 19 se zvýšila. U modelů vytvořených z buněk astmatických dárců byla změna z hlediska počtu genů menší. Ovlivněno bylo 42 genů, z nichž 34 vykazovalo nižší aktivitu a osm vyšší.

Obě skupiny přitom sdílely pouze 21 společných změn. Zdravá a astmatická dýchací tkáň tedy na stejné ovzduší ve většině sledovaných případů reagovaly odlišně.

Samotný počet změněných genů ale nelze chápat jako přímé měřítko poškození. Více změněných genů automaticky neznamená větší zdravotní újmu. Podstatné je, které biologické procesy se mění a jaký mohou mít tyto změny význam pro fungování tkáně. Studie navíc nesledovala všechny možné funkční důsledky zaznamenaných molekulárních změn.

Změny ve struktuře tkáně versus buněčný stres

U zdravé tkáně se změny soustředily především na procesy spojené s takzvanou extracelulární matrix. Jde o síť bílkovin a dalších molekul, která obklopuje buňky a vytváří jejich bezprostřední prostředí. Pomáhá udržovat strukturu tkáně, ovlivňuje pohyb a růst buněk, jejich vzájemné přichycení i komunikaci s okolím.

Extracelulární matrix tedy není jen jakousi buněčnou výplní. Funguje jako aktivní součást tkáně a pomáhá buňkám reagovat na změny prostředí nebo na poškození.

Se změnami těchto procesů souvisela aktivita několika genů, například BGN, COL3A1, PDGFRB a LUM. Výzkumníci zaznamenali také změny drah spojených s buněčnou adhezí a se signalizační drahou PI3K/AKT. Buněčná adheze umožňuje buňkám přichytit se k okolním strukturám a vytvářet mezi sebou spojení. Signalizační dráha PI3K/AKT zase patří k důležitým mechanismům, jimiž buňky zpracovávají informace z okolí. Podílí se mimo jiné na regulaci jejich růstu, přežívání a metabolismu.

U astmatické tkáně byl obraz výrazně odlišný. Změny se týkaly především funkcí dýchacího epitelu a reakcí spojených s buněčným stresem. Mezi ovlivněnými geny byly například SCGB3A1, CLCA2, GAL3ST4, CLSPN, GINS4, IL19 a CCL2. Některé z nich souvisejí se sekreční funkcí epitelu, jiné s opravou buněk, jejich dělením nebo komunikací s imunitním systémem.

Výsledky ukazují, že zdravá a astmatická dýchací tkáň na znečištěné ovzduší nereagují stejně. U zdravé tkáně se změny týkaly především procesů souvisejících s její strukturou a komunikací buněk s okolím. U astmatické tkáně se naopak výrazněji projevily změny spojené s funkcí epitelu, buněčným stresem a komunikací s imunitním systémem.

Skrytá vrstva regulace pomocí nekódující RNA

Vědci se ale nezastavili u genů kódujících bílkoviny. Podívali se také na další vrstvu regulace, kterou představují nekódující RNA. Patří mezi ně mikroRNA, označované jako miRNA, a dlouhé nekódující RNA, tedy lncRNA. Tyto molekuly mimo jiné pomáhají regulovat genovou aktivitu a ovlivňují, která část genetické informace bude v buňce v daném okamžiku využita.

U zdravých modelů například pokles některých mikroRNA souvisel se zvýšenou aktivitou genů spojených s buněčnou rovnováhou, oxidačním stresem, metabolismem a strukturou tkáně.

Oxidační stres nastává ve chvíli, kdy v buňce vzniká více reaktivních molekul, než dokážou její ochranné mechanismy účinně neutralizovat. Pokud tento stav přetrvává, může přispívat k poškození buněčných struktur.

U astmatických buněk se změnily například mikroRNA miR-205-5p, miR-19b-3p a miR-138-5p. Jejich změny byly spojeny s regulačními mechanismy souvisejícími mimo jiné s oxidačním stresem, zánětlivými procesy a přestavbou dýchacích cest.

Nový pohled na hodnocení zdravotních rizik

Studie tak přináší pohled na znečištění ovzduší z jiné perspektivy. Tradiční měření nám říká, co se nachází v prostředí a v jaké koncentraci. Molekulární analýza umožňuje sledovat další úroveň a zkoumat, jak na tuto komplexní směs reagují lidské buňky.

Mezi údajem z měřicí stanice a skutečným biologickým účinkem tak vzniká další vrstva informací. A právě ta může pomoci lépe pochopit, proč stejné znečištění nemusí mít na všechny lidi stejný účinek.