22ΟΣ ΑΙΩΝΑΣ
15/02/2021 13:58 EET | Updated 15/02/2021 14:05 EET

Τα μυστικά του εγκεφάλου: Έλληνες επιστήμονες ανοίγουν τον δρόμο για την αντιμετώπιση νευροεκφυλιστικών ασθενειών

Τρισδιάστατα μοντέλα ανθρώπινου νευρικού ιστού από ερευνητές του ΕΚΕΤΑ.

whitehoune via Getty Images

Τρισδιάστατα μοντέλα- δομές που προσομοιάζουν την οργάνωση και συμπεριφορά του ανθρώπινου νευρικού ιστού κατασκευάζουν ερευνητικές ομάδες του Ινστιτούτου Χημικών Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων και του Ινστιτούτου Εφαρμοσμένων Βιοεπιστημών του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ), ανοίγοντας τον δρόμο για την καλύτερη κατανόηση και αντιμετώπιση νευροεκφυλιστικών ασθενειών, όπως το Αλτσχάιμερ.

H δομή του εγκεφάλου αλλοιώνεται σε τέτοιες ασθένειες λόγω της σταδιακής απώλειας νευρικών κυττάρων- των νευρώνων. Οι θεραπείες για την αντιμετώπιση αυτών των ασθενειών στοχεύουν είτε στην αντικατάσταση των εκφυλισμένων νευρώνων ή στην παρεμπόδιση της απώλειάς τους με τη χρήση φαρμακευτικών ουσιών. Ωστόσο, η έλλειψη τρισδιάστατων πειραματικών μοντέλων δυσκολεύει την ανάπτυξη αποτελεσματικών θεραπειών. Η κατασκευή οργανοειδών, δηλαδή οργάνων σε μικρή κλίμακα, με μορφή εγκεφάλου θα διευκόλυνε την ανάπτυξη μεθόδων αναγεννητικής ιατρικής και την ανακάλυψη νέων φαρμάκων- και τέτοια οργανοειδή θα επέτρεπαν την καλύτερη μελέτη της αναγεννητικής ικανότητας προγονικών κυττάρων, όπως τα βλαστοκύτταρα.

Οι ερευνητές με τη χρήση ενός κεραμικού υλικού κατασκευάζουν ικριώματα πάνω στα οποία καλλιεργούν ανθρώπινους νευρώνες, οι οποίοι σχηματίζουν λειτουργικά νευρικά δίκτυα- και στο επόμενο βήμα, διαμορφώνουν τη μορφολογία των ικριωμάτων ώστε να μοιάζουν με την αντίστοιχη του εγκεφάλου. Στο μέλλον η έρευνα αναμένεται να βελτιστοποιηθεί με τη χρήση τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης ικριωμάτων και νευρώνων σε συνεργασία με ερευνητές του ΙΠΤΗΛ. Η κατασκευή λειτουργικών οργανοειδών νευρικού ιστού θα αποτελέσει σημαντικό επίτευγμα στη νευροβιολογία για την κατανοηση και αντιμετώπιση των νευροεκφυλιστικών ασθενειών.

Για τη συγκεκριμένη έρευνα μίλησαν στη HuffPost Greece ο Δρ. Σπύρος Πετράκης, μοριακός βιολόγος του Ινστιτούτου Εφαρμοσμένων Βιοεπιστημών (ΙΝΕΒ)/ΕΚΕΤΑ και η Δρ Ακριβή Ασημακοπούλου, χημικός μηχανικός του Ινστιτούτου Χημικών Διεργασιών & Ενεργειακών Πόρων (ΙΔΕΠ)/ΕΚΕΤΑ.

Πώς γίνεται η καλλιέργεια ανθρώπινων νευρώνων;

Σπύρος Πετράκης: Οι ανθρώπινοι νευρώνες δεν είναι εφικτό να απομονωθούν από τον εγκέφαλο και να καλλιεργηθούν στο εργαστήριο. Επιπλέον, δεν πολλαπλασιάζονται ώστε να υπάρχει επαρκής αριθμός για πειραματισμό. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι σχετικά πολύπλοκη και χρονοβόρα και περιλαμβάνει την κατασκευή επαγόμενων πολυδύναμων βλαστοκυττάρων (induced pluripotent stem cells, iPS, Nobel Prize in Physiology or Medicine 2012) τα οποία μπορεί να αποδώσουν σχεδόν όλους τους κυτταρικούς τύπους. Σε αυτή τη διεργασία, κύτταρα δέρματος ή αίματος επαναπρογραμματίζονται γενετικά σε προγονικό στάδιο (iPS cells) και στη συνέχεια διαφοροποιούνται σε νευρικά βλαστοκύτταρα (πρόδρομα νευρικά κύτταρα με ικανότητα πολλαπλασιασμού). Τα νευρικά βλαστοκύτταρα επιστρώνονται στα ικριώματα που κατασκευάζουμε και στη συνέχεια διαφοροποιούνται σε νευρώνες οι οποίοι παραμένουν βιώσιμοι και λειτουργικοί για αρκετές εβδομάδες. Το θρεπτικό υλικό καλλιέργειας περιλαμβάνει συγκεκριμένους παράγοντες που καθορίζουν τη διαφοροποίηση των νευρικών βλαστοκυττάρων και υποστηρίζουν τη βιωσιμότητα των νευρώνων που παράγονται.

Σε επίπεδο αναγεννητικής ιατρικής, για τι επίπεδο δυνατοτήτων μιλάμε; Τίθεται θέμα μοσχευμάτων για αντικατάσταση ανθρώπινων νευρώνων; Είναι βιοσυμβατές οι δομές που κατασκευάσατε;

Σπύρος Πετράκης, Ακριβή Ασημακοπούλου: Ο εγκέφαλος είναι μια πολύ συμπαγής και άριστα οργανωμένη δομή. Συνήθως, έχουμε απώλεια νευρώνων σε συγκεκριμένες περιοχές και είναι πολύ δύσκολο να καταφέρουμε να αποκαταστήσουμε βλάβες σε περιοχές εσωτερικά του εγκεφάλου χωρίς να προκαλέσουμε νέες βλάβες. Επιπλέον, ο νευρικός ιστός είναι γενικά μαλακός ιστός και οποιαδήποτε απόπειρα αναγεννητικής ιατρικής θα πρέπει να περιλαμβάνει τη χρήση αντίστοιχων υλικών (όπως γίνεται πειραματικά για την αναγέννηση τραυματισμών/τομών π.χ. στο νωτιαίο μυελό). Οι δομές που κατασκευάζουμε είναι βιοσυμβατές με την έννοια ότι επιτρέπουν την καλλιέργεια και διαφοροποίηση νευρικών βλαστοκυττάρων και τη διατήρηση βιώσιμων και λειτουργικών νευρώνων. Αλλά δεν είναι συμβατές για μεταμόσχευση λόγω σκληρότητας του ικριώματος. Αυτή τη στιγμή πειραματιζόμαστε και με πιο μαλακά υποστηρικτικά υλικά/ικριώματα αλλά πάντα στο πλαίσιο κατασκευής 3D δομών νευρικού ιστού.

Θα μπορούσατε να περιγράψετε κάποιες πρακτικές εφαρμογές στις οποίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν τέτοιου είδους δομές; Για τι χρονικό πλαίσιο εφαρμογής μιλάμε;

Σπύρος Πετράκης: Η ιδέα της ανάπτυξης οργανοειδών δεν είναι καινούργια αλλά η μεθοδολογία κατασκευής τους βελτιώνεται συνεχώς. Η κύρια χρησιμότητά τους είναι ως μοντέλα για 1. την κατανόηση των διεργασιών που συμβαίνουν στον εγκέφαλο, στον οποίο τα κύτταρα αυτο-οργανώνονται και ανταλλάσσουν πληροφορίες σε τρεις διαστάσεις και 2. τη δοκιμή και ανάπτυξη αποτελεσματικών φαρμάκων/θεραπευτικών προσεγγίσεων εναντίον π.χ. νευροεκφυλιστικών νόσων.

Ακριβή Ασημακοπούλου: Η χρήση ικριωμάτων θα μπορούσε να επιλύσει προβλήματα μακροπρόθεσμης βιωσιμότητας και λειτουργικότητας τέτοιων οργανοειδών καθώς θα επέτρεπε την ευκολότερη παροχή θρεπτικών συστατικών σε κύτταρα που βρίσκονται στο εσωτερικό τους. Επιπλέον, τέτοιες δομές θα μπορούσε να έχουν και άλλες βιοτεχνολογικές εφαρμογές, για παράδειγμα, κατασκευή neural blocks τα οποία θα μπορούσαν να συναρμολογηθούν σε μεγαλύτερες δομές που θα αντάλλασσαν πληροφορίες μεταξύ τους. Το χρονικό πλαίσιο εφαρμογής δεν είναι πάρα πολύ μακριά αλλά εξαρτάται από τη μεθοδολογία κατασκευής περίπλοκων 3D δομών και τη λειτουργικότητα τους. Αυτή τη στιγμή, σε συνεργασία με ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογιών Πληροφορικής και Επικοινωνιών (ΙΠΤΗΛ) του ΕΚΕΤΑ χρησιμοποιούμε την τεχνολογία της 3D εκτύπωσης για να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε ικριώματα στα οποία μπορούμε να βιο-εκτυπώσουμε ανθρώπινα κύτταρα. Αυτή η ερευνητική συνεργασία προσεγγίζει με έντονη διεπιστημονικότητα την παραγωγή προηγμένων ικριωμάτων με ακριβή έλεγχο των μορφολογικών χαρακτηριστικών του υλικού, ενώ η τεχνολογία προσθετικής κατασκευής αναμένεται να επιταχύνει την διαδικασία παραγωγής λειτουργικών και χρήσιμων 3D δομών νευρικού ιστού.

Σε ποιες ασθένειες αναμένεται να υπάρξουν οι ταχύτερες εξελίξεις από τέτοιου είδους έρευνες;

Σπύρος Πετράκης: Σίγουρα σε συχνά νευροεκφυλιστικά νοσήματα (νόσος του Alzheimer ή του Parkinson, νόσος Huntington) ή νοσήματα στο φάσμα του αυτισμού. Αλλά κυρίως σε υποκατηγορίες τους που οφείλονται σε γενετικούς παράγοντες ή μεταλλάξεις σε συγκεκριμένα γονίδια. Και αυτό γιατί η τεχνολογία που περιγράφουμε θα επιτρέψει την κατασκευή 3D δομών παθολογικού νευρικού ιστού και τη σύγκρισή τους με αντίστοιχες δομές υγιούς νευρικού ιστού.