Nádorové ochorenia sú jednou z troch najčastejších príčin úmrtí v modernom svete. Včasná diagnostika a personalizované lekárske ošetrenie môžu byť zásadným krokom pri zvyšovaní miery prežitia pacientov.
V roku 2008 bolo zaznamenaných 12,7 milióna nových výskytov rôznych malígnych ochorení a 7,6 milióna úmrtí na celom svete. O desať rokov neskôr dosiahol výskyt viac ako 18 miliónov nových zhubných prípadov a 9,5 milióna úmrtí. Svetová zdravotnícka organizácia predpovedá, že do roku 2030 úmrtia spôsobené rôznymi typmi rakoviny budú atakovať hranicu viac ako 13 miliónov, spolu s 21,7 miliónmi nových prípadov.
V rámci populácie je miera výskytu rakoviny o 20 % vyššia u mužov ako u žien a úmrtnosť na rakovinu je dokonca až o 40 % väčšia v neprospech mužov.
Pri uvažovaní o rakovine je potrebné brať na vedomie, že nehovoríme o jednom ochorení, ale o rôznorodom súbore chorôb, ktorých spoločným znakom je abnormálny rast buniek a ich schopnosť šíriť sa do okolia. Rakovina pľúc u dvoch pacientov môže mať rôzne podoby, a preto aj rozdielny postup pri následnej liečbe.
Nevyhnutné biomolekuly
V dôsledku radikálneho rastu výskytu ochorenia môžeme tento jav označiť za obdobie epidémie rakoviny. Jednoduchým postupom na identifikáciu ochorení je málo invazívna analýza sérových nádorových markerov (odber krvi) a prináša tiež pomoc pri postoperačnej fáze a doliečovaní sa.
Pomocou biomarkerov, ktoré pomáhajú pri lekárskej diagnostike, prípadne terapii, sme schopní vyhodnotiť patofyziologický stav organizmu v danom čase. S rozvojom odvetví ako proteomika (odbor zaoberajúci sa štúdiom proteínov a ich vlastnosťami, štruktúrou a funkciou) a glykomika (odbor študujúci funkciu sacharidov v prírode) dochádza k objavovaniu nových biomarkerov, často ide najmä o glykoproteíny. Počas rozvoja akéhokoľvek ochorenia dochádza k zmenám v glykánových štruktúrach týchto molekúl.
Sacharidy spolu s proteínmi, lipidmi a nukleovými kyselinami patria k biomolekulám nevyhnutným pre život. Medzi dvoma monosacharidovými blokmi sa nachádza väzba, ktorá sa nazýva glykozidová.
Celkové množstvo di- a oligosacharidov je fascinujúce. Iba z deviatich monosacharidových podjednotiek sme teoreticky schopní vytvoriť viac ako 10 miliónov tetrasacharidov. Hypotetické množstvo dosiahnuteľných hexamérov je rádovo násobne vyššie pre glykány (1,44 × 1 015) v porovnaní s peptidmi (6,4 × 106) alebo nukleovými kyselinami (4 096). Táto vysoká variabilita sacharidových štruktúr ich predurčuje na prítomnosť pri viacerých fyziologických procesoch. Cukry nemajú len nutričnú funkciu, ako sa v minulosti predpokladalo, a taktiež nie sú všetky sacharidy automaticky sladké.
Dôležité glykány
Každá biologická zmena v organizme sa prejavuje zmenou v zastúpení glykánov – napríklad na povrchu malígnych buniek. Aberantná (prejavujúca sa zmenou) glykozylácia spôsobuje zmeny v molekulárnych vzorcoch zdravých jedincov, čím nám poskytuje informácie o patofyziologickom stave biologického systému. Charakterizácia špecifických glykánov je kľúčovým faktorom v diagnostike ochorení a vďaka nim môžeme vyvíjať nové terapeutické a diagnostické stratégie pre rakovinové, autoimunitné a srdcovo-cievne choroby.
Glykány existujú vo forme glykokonjugátov, v ktorých sú kovalentne naviazané na proteínové/lipidové štruktúry. Takto vzniknuté konjugáty sú súčasťou povrchových vrstiev všetkých buniek a zodpovedajú za prvotný kontakt medzi bunkou a patogénom (vírus, baktéria, cudzia častica). V spomínaných biologických mechanizmoch majú nezastupiteľnú úlohu vysoko špecifické, ale zároveň slabé proteínovo-glykánové interakcie.
Poznanie nepriateľa
Už malá zmena v štruktúrach glykánov má za následok zmenu signálu, ktorý sledujeme. Na ilustráciu si zoberieme kyselinu sialovú, ktorá je deponovaná na koncových sacharidových zvyškoch bunky. Na povrchu proteínového obalu každého vírusu chrípky sa nachádzajú dve špecifické molekuly – glykoproteín hemagglutinín (HA) a enzým neuraminidáza (NA). Ich zastúpenie nám napomáha v rozlišovaní jednotlivých subtypov.
Pri chrípkovom víruse typu A je identifikovaných 15 subtypov HA a 9 subtypov NA. Väzba určitého vírusu na bunkový povrch je založená práve na interakciách HA a kyseliny sialovej. Kmene chrípky napádajúce ľudskú populácia sa viažu na kyslinu sialovú, ktorá obsahuje chemickú väzbu α2,6-, zatiaľ čo vtáčie vírusy sa v prevažnej miere viažu na α2,3-štruktúry. Chrípka je pritom jedným z najčastejšie sa vyskytujúcich respiračných ochorení s takmer pol miliónom úmrtí každý rok. Tento vírus je známy vysokou mierou mutácií. Preto sa vedci usilujú vyvinúť jednoduché detekčné nástroje na rýchle a spoľahlivé stanovenie a rozlíšenie chrípkových vírusov.
Včasná diagnostika
Konvenčné diagnostické postupy založené na symptómoch nie sú vhodné pre niektoré ochorenia, pretože symptómy (krvácanie, bolesti) sú zvyčajne zrejmé až po dlhšom čase od nástupu ochorenia v organizme. Nákladné prístrojové vybavenie, požiadavka na vyškolený personál, potreba predúpravy vzorky a podobne spôsobujú, že tieto konvenčné metódy sa nedajú využívať v diagnostike rakovinových ochorení. Preto majú nové biosenzory veľký potenciál.
Keď hovoríme o biosenzore, tak si môžeme predstaviť analytické zariadenie, ktoré integruje tri samostatné komponenty: biorozpoznávajúci element slúžiaci na imobilizáciu (najčastejšie ide o chemické ukotvenie) molekuly určenej na priamu detekciu analytu; fyzikálno-chemický prevodník na prevedenie rozpoznaného signálu na proporcionálny kvantitatívny signál (elektrochemický, optický, mechanický) a detektor na analýzu získaných dát.
Detekcia počiatočných štádií umožňuje liečiť pred progresiou ochorenia, to znamená, že pacienti môžu žiť dlhšie a zdravšie. Lacné a jednoduché testy a metódy, ktoré identifikujú varovné príznaky ochorenia, sú schopné rozpoznať v populácii osobu, ktorá má ochorenie aj bez viditeľných príznakov.
Je však veľmi dôležitou otázkou, nakoľko je vhodné vytvoriť zariadenia umožňujúce ľuďom detekciu chorôb na domáce využitie. Interpretácia získaných výsledkov by sa totiž mala prenechať odborníkom, ktorí sú schopní komplexne posúdiť informácie na multidisciplinárnej úrovni.
Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.
Filip Květoň
Chemický ústav SAV
Ilustrácie Filip Květoň, Marcela Pekarčíková
V spolupráci s Mladí vedci SAV