Czy utracony słuch da się odzyskać? Naukowcy są coraz bliżej odpowiedzi

Od dziesięcioleci badacze słuchu próbują rozwikłać pewną osobliwą biologiczną sprzeczność. Gdy obumrze wystarczająco dużo komórek rzęsatych ucha wewnętrznego, odpowiedzialnych za odbieranie bodźców dźwiękowych – czy to wskutek starzenia się, czy urazu – ich utrata jest zazwyczaj nieodwracalna. Aparaty słuchowe mogą wzmacniać dźwięki, a implanty ślimakowe omijać uszkodzone struktury, jednak żadna z tych metod nie przywraca samych komórek.

Tymczasem u innych zwierząt takie ograniczenie nie występuje. Ptaki potrafią regenerować komórki czuciowe umożliwiające im słyszenie. Ryby również mają taką zdolność. Gdy komórki te zostaną uszkodzone, na ich miejsce powstają nowe. Ludzie tego nie potrafią. A przynajmniej tak się wydawało.

W ciągu ostatniej dekady seria eksperymentów na myszach zaczęła zmieniać ten stan wiedzy, dowodząc, że przez krótki czas po narodzinach ucho wewnętrzne ssaków zachowuje ograniczoną zdolność do regeneracji. Początkowo naukowcy mieli nadzieję na znalezienie jednego głównego „włącznika”, który potrafiłby na nowo obudzić tę zdolność. Okazuje się jednak, że odpowiedź przypomina raczej molekularny przepis – taki, który wykorzystuje nieoczekiwane źródło komórek zastępczych: własne komórki podporowe ślimaka. Pod wpływem odpowiedniej kombinacji sygnałów rozwojowych komórki te mogą zacząć przekształcać się w rzęsate komórki czuciowe. Obecnym wyzwaniem jest sprawienie, by doprowadziły tę transformację do końca.

Dlaczego ucho wewnętrzne nie potrafi się samo naprawiać?

Każdy dźwięk zaczyna się od zjawiska mechanicznego. W ślimaku – spiralnie skręconym narządzie ukrytym głęboko w czaszce – znajduje się około 15 tysięcy czuciowych komórek rzęsatych, które przekształcają drgania w impulsy elektryczne. Na szczycie każdej z nich znajduje się pęczek mikroskopijnych wypustek przypominających włoski, zwanych stereociliami. Gdy fale dźwiękowe docierają do ucha, stereocilia uginają się. Ten ruch otwiera w komórkach maleńkie kanały jonowe, wywołując impulsy elektryczne przekazywane do nerwu słuchowego. Mózg interpretuje je jako dźwięk.

Choć cały proces trwa ułamek sekundy, jest zaskakująco podatny na uszkodzenia. Komórki rzęsate mogą zostać zniszczone przez wieloletnią ekspozycję na hałas. Uszkadzają je również niektóre leki stosowane w chemioterapii oraz wybrane antybiotyki. Z wiekiem ich liczba stopniowo maleje, a mutacje genetyczne mogą sprawić, że od urodzenia nie funkcjonują prawidłowo.

W przeciwieństwie do skóry, krwi czy wątroby, ślimak ssaków praktycznie nie ma zdolności do zastępowania uszkodzonych komórek. Gdy komórki rzęsate obumierają, otaczające je komórki podporowe nie wytwarzają w naturalny sposób nowych. Przez lata naukowcy uznawali to za jedną z podstawowych biologicznych cech ssaków.

Myszy odzyskują słuch

Sytuacja zmieniła się, gdy badacze odkryli, że nowo narodzone myszy zachowują przez krótki czas zdolność do regeneracji utraconych komórek rzęsatych. Ta niezwykła właściwość zanika jednak już po kilku dniach od narodzin.

– Wcześniej obowiązywał pogląd, że regeneracja komórek rzęsatych zachodzi wyłącznie u organizmów nienależących do ssaków – mówi dr Brandon Cox, biolog rozwoju z Southern Illinois University School of Medicine.

Odkrycie to całkowicie odmieniło kierunek badań. Zasugerowało bowiem, że ssaki – przynajmniej myszy – nie utraciły całkowicie zdolności do regeneracji. Wygląda raczej na to, że z wiekiem tracą możliwość korzystania z tego mechanizmu. Część odpowiedzi może kryć się w epigenetyce, czyli mechanizmach kontrolujących, z których fragmentów DNA komórka może korzystać. – Gdy komórki są młode, DNA pozostaje otwarte i łatwo dostępne – wyjaśnia dr Brandon Cox. – W miarę dojrzewania chromatyna stopniowo się zamyka.

W praktyce oznacza to, że geny potrzebne do wytworzenia komórki rzęsatej nadal znajdują się w tkankach dorosłego organizmu, lecz komórki mają do nich znacznie trudniejszy dostęp. Instrukcja wciąż istnieje, ale została ukryta za kolejnymi warstwami mechanizmów regulacyjnych. Naukowcy zaczęli się zastanawiać, czy da się ponownie uruchomić programy rozwojowe aktywne we wczesnym etapie życia i sprawić, by dojrzałe komórki znów zaczęły zachowywać się jak młode. Poszukiwania doprowadziły badaczy do trzech kluczowych białek.

Przełom trzech czynników

Białka te noszą nazwy Atoh1, Gfi1 i Pou4f3. Wszystkie trzy należą do grupy tzw. czynników transkrypcyjnych – cząsteczek, które aktywują całe sieci genów i podczas rozwoju organizmu kierują niedojrzałe komórki na drogę prowadzącą do przekształcenia ich w komórki rzęsate.

Choć niemal wszystkie komórki organizmu zawierają ten sam materiał genetyczny, różnią się tym, które geny są aktywne, a które pozostają wyciszone. Przez wiele lat naukowcy skupiali się przede wszystkim na białku Atoh1. Strategia wydawała się logiczna. Atoh1 jest jednym z najwcześniejszych sygnałów uruchamiających powstawanie komórek rzęsatych. Badacze przypuszczali, że jeśli uda się ponownie aktywować ten czynnik w uszkodzonym uchu, pojawią się nowe komórki odpowiedzialne za odbieranie dźwięków.

Eksperymenty rzeczywiście przyniosły obiecujące rezultaty. Część odtworzonych komórek zaczęła wykazywać aktywność genów charakterystycznych dla komórek rzęsatych. Wiele z nich pozostawało jednak niedojrzałych. Nie wykształcały w pełni pęczków stereociliów, brakowało im cech typowych dla wyspecjalizowanych wewnętrznych i zewnętrznych komórek rzęsatych oraz połączeń nerwowych niezbędnych do prawidłowego słyszenia. Mimo to badania wyznaczyły nowy, niezwykle obiecujący kierunek.

– Otworzyło to drogę do rozwoju terapii genowych – mówi Alan Cheng, chirurg i profesor otorynolaryngologii na Uniwersytecie Stanforda. Badania przyniosły również ważną lekcję. Powstawanie komórek rzęsatych nie jest kontrolowane przez jeden pojedynczy sygnał rozwojowy. Naukowcy zaczęli więc dodawać kolejne czynniki.

Jak przeprogramować komórkę?

Badanie opublikowane w 2020 roku wykazało, że kilka czynników transkrypcyjnych może przeprogramować komórki i nadać im cechy podobne do komórek rzęsatych. Wyniki te pomogły skierować uwagę badaczy na powszechnie dziś analizowane połączenie trzech białek: Atoh1, Gfi1 i Pou4f3.

Razem czynniki te pozwalały uzyskać znacznie więcej komórek przypominających komórki rzęsate niż samo Atoh1 i zwiększały skuteczność przeprogramowania komórkowego. Nowsze badania wykazały również, że dodanie kolejnych regulatorów rozwoju może skierować część odtworzonych komórek w stronę bardziej dojrzałych form wewnętrznych lub zewnętrznych komórek rzęsatych.

– Czynniki transkrypcyjne często działają zespołowo, podobnie jak drużyna koszykarska – mówi prof. Alan Cheng. – Są znacznie skuteczniejsze, gdy współpracują.

Trzy czynniki zdają się aktywować nakładające się na siebie programy genetyczne związane z rozwojem komórek rzęsatych. Nie działają niezależnie, lecz wzajemnie wzmacniają swoje działanie, uruchamiając całe kaskady genów, które pomagają skierować komórki ku nowej tożsamości.

Jeszcze dziesięć lat temu naukowcy mieli trudności z uzyskaniem znaczącej liczby zastępczych komórek rzęsatych wewnątrz ślimaka. O ile we wczesnych eksperymentach powstawały jedynie pojedyncze rozproszone komórki, o tyle w nowszych badaniach udało się odtworzyć w ślimaku myszy niemal 2 tysiące komórek przypominających komórki rzęsate. To wynik zbliżony do około 3 tysięcy komórek rzęsatych naturalnie występujących w tym narządzie.

– Gdybym miał podsumować największy postęp ostatnich pięciu lat, powiedziałbym, że potrafimy obecnie znacznie skuteczniej regenerować komórki rzęsate – nie tylko pojedyncze, lecz w liczbie odpowiadającej potrzebom naturalnego narządu – mówi prof. Alan Cheng.

Duża część tych badań opiera się na wykorzystaniu komórek podporowych, które otaczają komórki rzęsate w ślimaku i pomagają utrzymać środowisko niezbędne do ich przeżycia. Ponieważ znajdują się już we właściwym miejscu, naukowcy coraz częściej traktują je jako materiał wyjściowy do regeneracji. Pod wpływem odpowiedniej kombinacji czynników transkrypcyjnych część z nich może zmienić swoją tożsamość i przekształcić się w komórki przypominające komórki rzęsate. Proces ten nazywa się przeprogramowaniem komórkowym.

Komórki podporowe pełnią jednak w ślimaku również kluczowe funkcje strukturalne i fizjologiczne. Przekształcenie zbyt dużej ich liczby mogłoby pozbawić tkankę komórek, których nadal potrzebuje do prawidłowego działania. Dlatego badacze chcą nie tylko przeprogramowywać komórki podporowe, lecz także skłonić je wcześniej do podziału. Pozwoliłoby to zachować ich odpowiednią liczbę, a jednocześnie wytworzyć nowe komórki zastępcze.

Naukowcy nie pytają już, czy można stworzyć zastępcze komórki rzęsate. Teraz próbują ustalić, czy takie komórki rzeczywiście mogą przywrócić słuch.

Dlaczego stworzenie komórki rzęsatej nie oznacza jeszcze przywrócenia słuchu?

Pod mikroskopem wiele odtworzonych komórek wygląda coraz bardziej przekonująco. Nie oznacza to jednak, że rzeczywiście działają. – Największym wyzwaniem pozostaje przywrócenie pełnej funkcji słuchu – mówi dr Brandon Cox.

Najnowsze badania zespołów z Baylor College of Medicine i St. Jude Children's Research Hospital sugerują, że dodanie szerszego zestawu sygnałów rozwojowych pozwala przesunąć odtworzone komórki na kolejny etap dojrzewania. Dzięki temu zaczynają one coraz bardziej przypominać dwa wyspecjalizowane typy komórek rzęsatych – wewnętrzne i zewnętrzne komórki rzęsate – które wspólnie odpowiadają za prawidłowe słyszenie.

Mimo to naukowcy podkreślają, że laboratoryjnie wyhodowane komórki wciąż nie są w pełni dojrzałe. Choć pod względem molekularnym coraz bardziej przypominają swoje naturalne odpowiedniki, nadal nie osiągnęły złożonej budowy i funkcjonalności komórek czuciowych występujących w zdrowym uchu wewnętrznym.

Ślimak zawiera dwa główne rodzaje komórek rzęsatych. Wewnętrzne komórki rzęsate przekazują informacje dźwiękowe do mózgu. Zewnętrzne komórki rzęsate działają natomiast jak biologiczne wzmacniacze – mechanicznie zwiększają siłę słabych dźwięków, zanim zostaną one wykryte przez układ słuchowy. Badacze coraz skuteczniej potrafią kierować rozwój odtworzonych komórek w stronę jednego lub drugiego typu. Jednak stworzenie komórki, która wygląda jak dojrzała komórka rzęsata, to nie to samo, co stworzenie komórki działającej jak jej naturalny odpowiednik.

Jej mikroskopijne wypustki muszą uformować charakterystyczny, precyzyjnie uporządkowany pęczek stereociliów przypominający schodki oraz zostać właściwie zorientowane w obrębie ślimaka. Komórka musi również połączyć się z odpowiednimi neuronami słuchowymi – dokładnie we właściwym miejscu.

Jak wyjaśnia dr Brandon Cox, ślimak działa jak mapa częstotliwości. Poszczególne jego obszary odpowiadają za odbiór różnych wysokości dźwięku, dlatego znaczenie ma nie tylko sam sygnał, lecz także miejsce, z którego pochodzi.

– Jeśli nowa komórka rzęsata powstanie w obszarze odpowiedzialnym za niskie częstotliwości, ale połączy się z neuronem odbierającym wysokie częstotliwości, cały układ po prostu nie będzie działał – tłumaczy dr Brandon Cox.

Naukowcy coraz lepiej radzą sobie z wytwarzaniem komórek zastępczych. Nadal jednak brakuje jednoznacznych dowodów, że potrafią one w sposób powtarzalny przywracać użyteczny słuch u ssaków. Stworzenie nowych komórek i odbudowanie sprawnie działającego narządu zmysłu to dwa zupełnie różne wyzwania.

Droga do naprawy słuchu

Regeneracja komórek rzęsatych przyciąga najwięcej uwagi, ale jest tylko jedną z wielu strategii badanych przez naukowców. Jak wyjaśnia prof. Gabriel Corfas, dyrektor Kresge Hearing Research Institute na Uniwersytecie Michigan, równie ważnym celem są połączenia między komórkami rzęsatymi a neuronami słuchowymi.

Coraz więcej badań na zwierzętach wskazuje, że jedne z pierwszych uszkodzeń prowadzących do związanej z wiekiem utraty słuchu nie dotyczą samych komórek rzęsatych, lecz maleńkich połączeń, za pomocą których przekazują one informacje do neuronów słuchowych. Naukowcy wciąż próbują ustalić, jaka część pogorszenia słuchu wynika z uszkodzenia tych połączeń, a jaka z utraty komórek rzęsatych lub zmian zachodzących w innych elementach układu słuchowego.

– Istnieją mocne dowody na to, że wraz z wiekiem jako pierwsze tracimy synapsy, a nie komórki rzęsate czy neurony – mówi prof. Gabriel Corfas.

Synapsy są miejscami komunikacji między komórkami nerwowymi. Gdy zaczynają zanikać, słuch może się pogarszać, nawet jeśli same komórki rzęsate pozostają nienaruszone. W badaniu opublikowanym w 2024 roku prof. Gabriel Corfas i jego współpracownicy wykazali, że zmiana liczby synaps bezpośrednio wpływa na zdolność zwierząt do przetwarzania dźwięków, nawet wtedy, gdy standardowe testy słuchu nie wykazują żadnych nieprawidłowości. Badacze pokazali również, że odbudowanie tych połączeń poprawia sprawność słuchu u myszy cierpiących na utratę słuchu związaną z wiekiem oraz długotrwałą ekspozycją na hałas.

Prof. Gabriel Corfas określa regenerację synaps mianem „owocu wiszącego na średniej wysokości”, sugerując, że naprawa istniejących połączeń nerwowych może okazać się łatwiejsza niż odtworzenie od podstaw całych komórek czuciowych. Takie podejście dobrze odzwierciedla zmianę, jaka zachodzi we współczesnych badaniach nad słuchem. Zamiast poszukiwać jednego uniwersalnego lekarstwa, naukowcy coraz częściej postrzegają utratę słuchu jako zespół różnych problemów biologicznych, wymagających odmiennych metod leczenia.

Źródło: National Geographic