Η μελέτη του ανθρώπινου εγκεφάλου είναι μια από τις πιο απαιτητικές προκλήσεις στη βιοϊατρική. Η πρόσβαση σε ζωντανό τρισδιάστατο εγκεφαλικό ιστό είναι πρακτικά αδύνατη, για προφανής λόγους. Όμως μια ερευνητική ομάδα από το University of California, Riverside (UCR) φαίνεται πως πλησιάζει περισσότερο από ποτέ στη δημιουργία πιστών, λειτουργικών αντιγράφων εγκεφαλικού ιστού στο εργαστήριο, ανοίγοντας ένα νέο πεδίο για τη μελέτη νευρολογικών παθήσεων.
Η νέα πρόοδος αφορά ένα νέο υλικό-ικρίωμα, πλάτους μόλις 2 χιλιοστών, πάνω στο οποίο μπορούν να τοποθετηθούν ανθρώπινα νευρικά βλαστοκύτταρα και να αναπτυχθούν σταδιακά σε ώριμους νευρώνες. Το υλικό ονομάζεται BIPORES – Bijel-Integrated PORous Engineered System και αποτελείται κυρίως από το γνωστό πολυμερές πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG). Αυτό που το διαφοροποιεί από παλαιότερες προσπάθειες είναι ότι οι επιστήμονες κατάφεραν να τροποποιήσουν το PEG ώστε να γίνεται «φιλικό» προς τα εγκεφαλικά κύτταρα χωρίς να απαιτούνται επιπρόσθετες βιολογικές επιστρώσεις που συχνά αλλοιώνουν τα πειραματικά αποτελέσματα.
Για να το πετύχουν αυτό, πρόσθεσαν στο μείγμα νανοσωματίδια διοξειδίου του πυριτίου και τροποποίησαν τη γεωμετρία του πολυμερούς ώστε να δημιουργείται μια δομή γεμάτη μικροσκοπικούς πόρους, ένα είδος σπογγώδους μικρο-τοπίου στο οποίο τα κύτταρα μπορούν να προσκολληθούν και να επεκταθούν. Επιπλέον, η καμπυλότητα και η σταθερότητα της κατασκευής έχουν σχεδιαστεί ώστε να υποστηρίζουν την φυσική οργάνωση των νευρώνων σε τρισδιάστατα σμήνη, παρόμοια με αυτά που παρατηρούνται στον εγκέφαλο.
Όπως εξηγεί ο βιομηχανικός Iman Noshadi από το UCR, το υλικό εξασφαλίζει ότι τα κύτταρα λαμβάνουν τα κατάλληλα ερεθίσματα για να αναπτυχθούν, να επικοινωνήσουν μεταξύ τους και να οργανωθούν σε συγκροτήματα που θυμίζουν εγκεφαλικούς σχηματισμούς. Με ένα σκελετό που προσομοιώνει καλύτερα τη βιολογία, οι ερευνητές μπορούν πλέον να δημιουργήσουν μοντέλα εγκεφαλικού ιστού με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια και ελεγχόμενη συμπεριφορά.
Το BIPORES έρχεται να λύσει μια σειρά προβλημάτων που ταλαιπωρούν τις μέχρι σήμερα μεθόδους ανάπτυξης εγκεφαλικών οργανοειδών. Πολλά από τα υπάρχοντα υποστρώματα απαιτούν ζωικά παράγωγα, είναι χημικά ασταθή ή δεν επιτρέπουν στα κύτταρα να φτάσουν σε βαθμό ωρίμανσης που να αντικατοπτρίζει την πραγματική λειτουργία του εγκεφάλου. Η νέα προσέγγιση υπόσχεται σταθερότερα, πιο ανθρώπινα και πιο «ώριμα» μοντέλα, ικανά να διατηρηθούν για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα.
Αυτό είναι κρίσιμο, όπως τονίζει ο Prince David Okoro από το UCR, διότι τα ώριμα εγκεφαλικά κύτταρα αντικατοπτρίζουν καλύτερα τον τρόπο λειτουργίας του πραγματικού ιστού. Για τη μελέτη παθήσεων που εξελίσσονται αργά – όπως οι νευροεκφυλιστικές ασθένειες – η δυνατότητα μακροχρόνιων πειραμάτων είναι απαραίτητη.
Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας είναι η προσαρμοστικότητα των κυττάρων. Τα νευρικά βλαστοκύτταρα μπορούν να παραχθούν από ανθρώπινα κύτταρα δέρματος ή αίματος μέσω επαναπρογραμματισμού. Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες μπορούν θεωρητικά να δημιουργήσουν «νευρώνες-μοντέλα» που θα αντιστοιχούν σε συγκεκριμένους ασθενείς. Με την εξατομικευμένη ιατρική να κερδίζει συνεχώς έδαφος, τέτοιου είδους μοντέλα θα μπορούσαν να αποδειχθούν πολύτιμα για τη μελέτη ασθενειών όπως το Alzheimer, το Parkinson, αλλά και τραυματισμών όπως τα εγκεφαλικά επεισόδια.
Η υπόσχεση είναι διπλή: αφενός μειώνεται η εξάρτηση από πειράματα σε ζώα (μια πρακτική που έχει επιστημονικούς και ηθικούς περιορισμούς) και αφετέρου αυξάνεται η ακρίβεια των αποτελεσμάτων, καθώς το υπό εξέταση υλικό είναι πιο κοντά στο ανθρώπινο νευρικό σύστημα. Η δυνατότητα να εξετάζονται φάρμακα ή θεραπείες πάνω σε ιστό παρόμοιο με του ανθρώπου πριν φτάσουν σε κλινικές δοκιμές θα μπορούσε να μειώσει χρόνο, κόστος και ρίσκο.
Ωστόσο, παρά τη σημαντική πρόοδο, υπάρχουν ακόμη εμπόδια. Το BIPORES αυτή τη στιγμή υποστηρίζει μόνο μικρές δομές, και η κλιμάκωση σε μεγαλύτερα μοντέλα παραμένει πρόκληση. Επιπλέον, η πλήρης αναπαραγωγή της πολυπλοκότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου απαιτεί πολλά ακόμη βήματα. Παρ’ όλα αυτά, οι ερευνητές εκτιμούν ότι η ίδια αρχή μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλα όργανα, όπως το ήπαρ, ανοίγοντας έναν δρόμο για διασυνδεδεμένα συστήματα ιστών στο εργαστήριο.
Όπως αναφέρει ο Noshadi, ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να δείξει πώς διαφορετικά όργανα ανταποκρίνονται στην ίδια θεραπεία ή πώς μια δυσλειτουργία σε ένα όργανο επηρεάζει ένα άλλο. Είναι ένα βήμα προς μια πιο ολιστική κατανόηση της ανθρώπινης βιολογίας και των ασθενειών, πέρα από τα μεμονωμένα κύτταρα ή ιστούς.
