Η μελέτη του ανθρώπινου εγκεφάλου παραμένει μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη βιοϊατρική επιστήμη. Η πρόσβαση σε ζωντανό τρισδιάστατο εγκεφαλικό ιστό είναι σχεδόν αδύνατη για προφανείς λόγους. Ωστόσο, μια ερευνητική ομάδα από το University of California, Riverside (UCR) πλησιάζει στην πραγματοποίηση λειτουργικών αντιγράφων εγκεφαλικού ιστού στο εργαστήριο, ανοίγοντας νέες δυνατότητες στη μελέτη νευρολογικών παθήσεων.
Η πρόσφατη πρόοδος αφορά ένα νέο υλικό-ικρίωμα, πλάτους μόλις 2 χιλιοστών. Αυτό το υλικό, που ονομάζεται BIPORES – Bijel-Integrated PORous Engineered System, διευκολύνει την ανάπτυξη ανθρώπινων νευρικών βλαστοκυττάρων σε ώριμους νευρώνες. Το BIPORES αποτελείται κυρίως από το γνωστό πολυμερές πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG), αλλά με τροποποιήσεις που το καθιστούν φιλικό προς τα εγκεφαλικά κύτταρα, χωρίς να απαιτούνται επιπλέον βιολογικές επιστρώσεις που συνήθως αλλοιώνουν τα αποτελέσματα των πειραμάτων.
Για την επίτευξη αυτού του στόχου, οι επιστήμονες πρόσθεσαν νανοσωματίδια διοξειδίου του πυριτίου και τροποποίησαν τη γεωμετρία του πολυμερούς, δημιουργώντας μια δομή γεμάτη μικροσκοπικούς πόρους. Έτσι, σχηματίζεται ένα σπογγώδες μικρο-τοπίο στο οποίο τα κύτταρα μπορούν να προσαρμοστούν και να επεκταθούν. Αυτή η καμπυλότητα και σταθερότητα ενισχύουν τη φυσική οργάνωση των νευρώνων σε τρισδιάστατα συμπλέγματα, παρόμοια με τα εγκεφαλικά.
Όπως εξηγεί ο βιομηχανικός μηχανικός Iman Noshadi από το UCR, το υλικό διασφαλίζει ότι τα κύτταρα λαμβάνουν τα κατάλληλα ερεθίσματα για να αναπτυχθούν, να επικοινωνήσουν και να οργανωθούν ορθά. Με τη δημιουργία ενός σκελετού που προσομοιώνει τη βιολογία, οι ερευνητές μπορούν να αναπτύξουν μοντέλα εγκεφαλικού ιστού με μεγαλύτερη λεπτομέρεια και ελεγχόμενη συμπεριφορά.
Η τρέχουσα τεχνολογία BIPORES λύνει αρκετά προβλήματα που επηρεάζουν υπάρχουσες μεθόδους ανάπτυξης εγκεφαλικών οργανοειδών. Πολλά από τα σημερινά υποστρώματα απαιτούν ζωικά παράγωγα, είναι χημικά ασταθή ή δεν επιτρέπουν στα κύτταρα να επιτύχουν επίπεδα ωρίμανσης που αντικατοπτρίζουν τη πραγματική λειτουργία του εγκεφάλου. Η νέα προσέγγιση προσφέρει πιο σταθερά, ανθρώπινα και «ώριμα» μοντέλα με αυξημένη διάρκεια ζωής.
Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό σύμφωνα με τον Prince David Okoro από το UCR, καθώς τα ώριμα εγκεφαλικά κύτταρα απεικονίζουν καλύτερα τη λειτουργία του πραγματικού ιστού. Για την κατανόηση ασθενειών που εξελίσσονται αργά, όπως οι νευροεκφυλιστικές, η δυνατότητα εκτέλεσης μακροχρόνιων πειραμάτων είναι αναγκαία.
Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα της νέας τεχνολογίας είναι η δυνατότητα προσαρμογής των κυττάρων. Τα νευρικά βλαστοκύτταρα μπορούν να παραχθούν από ανθρώπινα κύτταρα δέρματος ή αίματος μέσω επαναπρογραμματισμού, δίνοντας τη δυνατότητα στους επιστήμονες να δημιουργούν «νευρώνες-μοντέλα» που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένους ασθενείς. Αυτή η εξατομικευμένη προσέγγιση μπορεί να αποδειχθεί ανεκτίμητη για τη μελέτη ασθενειών όπως το Alzheimer και το Parkinson.
Η εγκαθίδρυση αυτής της τεχνολογίας προσφέρει διπλά οφέλη: από τη μία μειώνεται η εξάρτηση από πειράματα σε ζώα, ενώ από την άλλη αυξάνεται η ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Το νέο υλικό είναι πιο κοντά στην ανθρώπινη βιολογία, επιτρέποντας τη διεξαγωγή πειραμάτων σε ιστό παρόμοιο με εκείνον του ανθρώπου, πριν από τις κλινικές δοκιμές.
Ωστόσο, παρά τις σημαντικές εξελίξεις, οι προκλήσεις παραμένουν. Το BIPORES υποστηρίζει προς το παρόν μικρές δομές και η κλιμάκωση σε μεγαλύτερα μοντέλα εξακολουθεί να είναι μια πρόκληση. Η πλήρης αναπαραγωγή της πολυπλοκότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου απαιτεί πολλαπλά βήματα. Ωστόσο, οι ερευνητές πιστεύουν ότι οι ίδιες αρχές μπορούν να εφαρμοστούν και σε άλλα όργανα, όπως το ήπαρ, ανοίγοντας τον δρόμο για διασυνδεδεμένα συστήματα ιστών στα εργαστήρια.
Ο Noshadi υποστηρίζει ότι ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να αποκαλύψει πώς διαφορετικά όργανα αντιδρούν στην ίδια θεραπεία ή πώς η δυσλειτουργία σε ένα όργανο επηρεάζει ένα άλλο. Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς μια ολιστική κατανόηση της ανθρώπινης βιολογίας και των ασθενειών, εστιάζοντας σε πιο ολοκληρωμένα μοντέλα από τα παραδοσιακά.
