Οι επιστήμονες ανέπτυξαν 3D «μίνι εγκεφάλους» από ανθρώπινο εμβρυϊκό εγκεφαλικό ιστό που αυτοοργανώνονται in vitro. Αυτά τα οργανοειδή που καλλιεργούνται στο εργαστήριο ανοίγουν έναν ολοκαίνουργιο τρόπο μελέτης του πώς αναπτύσσεται ο εγκέφαλος.
Προσφέρουν επίσης ένα πολύτιμο μέσο για τη μελέτη της ανάπτυξης και της θεραπείας ασθενειών που σχετίζονται με τον εγκέφαλο, συμπεριλαμβανομένου καρκίνου του εγκεφάλου.
Τι είναι οι τρισδιάστατοι «μίνι εγκέφαλοι»
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν διαφορετικούς τρόπους για να μοντελοποιήσουν τη βιολογία του υγιούς ιστού και των ασθενειών στο εργαστήριο. Αυτά περιλαμβάνουν κυτταρικές σειρές, πειραματόζωα και, εδώ και μερικά χρόνια, τρισδιάστατα μίνι όργανα. Αυτά τα λεγόμενα οργανοειδή έχουν χαρακτηριστικά και ένα επίπεδο πολυπλοκότητας που επιτρέπει στους επιστήμονες να μοντελοποιήσουν προσεκτικά τις λειτουργίες ενός οργάνου στο εργαστήριο.
Τα οργανοειδή μπορούν να σχηματιστούν απευθείας από τα κύτταρα ενός ιστού. Οι επιστήμονες μπορούν επίσης να «καθοδηγήσουν» τα βλαστοκύτταρα –που βρίσκονται σε έμβρυα ή σε ορισμένους ενήλικους ιστούς– ώστε να εξελιχθούν στο όργανο που στοχεύουν να μελετήσουν.
Πρόοδος στην ανάπτυξη οργανοειδών εγκεφάλου
Μέχρι τώρα, τα οργανοειδή του εγκεφάλου καλλιεργούνταν στο εργαστήριο με την παρακίνηση εμβρυϊκών ή πολυδύναμων βλαστοκυττάρων να αναπτυχθούν σε δομές που αντιπροσωπεύουν διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου. Χρησιμοποιώντας ένα συγκεκριμένο κοκτέιλ μορίων, προσπαθούσαν να μιμηθούν τη φυσική ανάπτυξη του εγκεφάλου –με τη «συνταγή» για κάθε κοκτέιλ να χρειάζεται πολλή έρευνα για να αναπτυχθεί.
Τώρα, επιστήμονες στο Κέντρο Παιδιατρικής Ογκολογίας Princess Máxima και στο Ινστιτούτο Hubrecht, που εδρεύουν στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας, ανέπτυξαν οργανοειδή εγκεφάλου απευθείας από ανθρώπινο εμβρυϊκό εγκεφαλικό ιστό. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Cell.
Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Δρ. Delilah Hendriks, τον καθηγητή Δρ. Hans Clevers και τη Δρ. Benedetta Artegiani, εξεπλάγησαν όταν ανακάλυψαν ότι η χρήση μικρών κομματιών εμβρυϊκού εγκεφαλικού ιστού αντί για μεμονωμένα κύτταρα ήταν ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη των μίνι εγκεφάλων.
Για την ανάπτυξη άλλων μικροοργάνων όπως το έντερο, οι επιστήμονες συνήθως διασπούν τον αρχικό ιστό σε μεμονωμένα κύτταρα. Αντί να δουλέψει με μικρά κομμάτια εμβρυϊκού εγκεφαλικού ιστού, η ομάδα διαπίστωσε ότι αυτά τα κομμάτια θα μπορούσαν να αυτοοργανωθούν σε οργανοειδή.
Δυνατότητες για την ανάπτυξη του εγκεφάλου και την έρευνα για τον καρκίνο
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα οργανοειδή που προέρχονται από ιστούς διατήρησαν διάφορα χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης περιοχής του εγκεφάλου από την οποία προήλθαν. Ανταποκρίθηκαν σε μόρια σηματοδότησης που είναι γνωστό ότι παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του εγκεφάλου.
Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι τα οργανοειδή που προέρχονται από ιστούς θα μπορούσαν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην αποκωδικοποίηση του πολύπλοκου δικτύου μορίων που εμπλέκονται στην κατεύθυνση της ανάπτυξης του εγκεφάλου.
Δεδομένης της ικανότητας των οργανοειδών που προέρχονται από ιστούς να επεκτείνονται γρήγορα, η ομάδα διερεύνησε στη συνέχεια τις δυνατότητές τους στη διαμόρφωση του καρκίνου του εγκεφάλου. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την τεχνική επεξεργασίας γονιδίων CRISPR-Cas9 για να εισαγάγουν σφάλματα στο γνωστό καρκινικό γονίδιο TP53 σε μικρό αριθμό κυττάρων στα οργανοειδή.
Μετά από τρεις μήνες, τα κύτταρα με ελαττωματικό TP53 είχαν ξεπεράσει εντελώς τα υγιή κύτταρα στο οργανοειδές -που σημαίνει ότι είχαν αποκτήσει ένα πλεονέκτημα ανάπτυξης, ένα τυπικό χαρακτηριστικό των καρκινικών κυττάρων.
Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το CRISPR-Cas9 για να απενεργοποιήσουν τρία γονίδια που συνδέονται με τον όγκο του εγκεφάλου, το γλοιοβλάστωμα: TP53, PTEN και NF1. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης αυτά τα μεταλλαγμένα οργανοειδή για να εξετάσουν την απόκρισή τους στα υπάρχοντα αντικαρκινικά φάρμακα. Αυτά τα πειράματα έδειξαν τη δυνατότητα των οργανοειδών για έρευνα φαρμάκων κατά του καρκίνου και τη σύνδεση ορισμένων φαρμάκων με συγκεκριμένες γονιδιακές μεταλλάξεις.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές στοχεύουν να διερευνήσουν περαιτέρω τις δυνατότητες των νέων οργανοειδών του εγκεφάλου που προέρχονται από ιστούς. Σχεδιάζουν επίσης να συνεχίσουν τη δουλειά τους με επιστήμονες του τομέα της βιοηθικής -οι οποίοι συμμετείχαν ήδη στη διαμόρφωση αυτής της έρευνας για να καθοδηγήσουν τη μελλοντική ανάπτυξη και τις εφαρμογές των νέων οργανοειδών του εγκεφάλου.