Το εργαστήριο της Giorgia Quadrato επίκουρης καθηγήτριας βιολογίας βλαστοκυττάρων και αναγεννητικής ιατρικής, στο πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια πρωτοπορεί σε ένα νέο οργανοειδές μοντέλο ανθρώπινου εγκεφάλου μέσα στο οποίο αναπτύσσονται οι σημαντικότεροι κυτταρικοί τύποι της παρεγκεφαλίδας.
Η παρεγκεφαλίδα, που βρίσκεται στο πίσω μέρος του εγκεφάλου, παίζει καθοριστικό ρόλο στον κινητικό έλεγχο, τον συντονισμό και την ισορροπία.
Συμμετέχει επίσης σε γνωστικές λειτουργίες όπως η προσοχή και η γλώσσα. Η κατανόηση της ανάπτυξης και της λειτουργίας της είναι απαραίτητη για την αποκάλυψη της πολυπλοκότητας των νευρολογικών διαταραχών.
Ο φλοιός της παρεγκεφαλίδας, η οποία αποκαλείται και «ελάσσων εγκέφαλος», αποτελείται από τρεις στιβάδες: τη μοριώδη, τη στιβάδα των κυττάρων Purkinje ή γαγγλιακή στιβάδα, και την κοκκώδη στιβάδα.
Παραδοσιακά, η μελέτη της ανθρώπινης παρεγκεφαλίδας ήταν δύσκολη λόγω της περιορισμένης πρόσβασης σε δείγματα ανθρώπινου ιστού και της αδυναμίας αναπαραγωγής της περίπλοκης δομής της στο εργαστήριο.
Ωστόσο, η τεχνολογία βλαστοκυττάρων έχει φέρει επανάσταση στον τομέα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να παράγουν οργανοειδή - τρισδιάστατες μικροσκοπικές εκδόσεις οργάνων - από ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα.
Σε αυτήν την πρόσφατη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (iPSCs) που προέρχονται από κύτταρα ανθρώπινου δέρματος για να δημιουργήσουν οργανοειδή παρεγκεφαλίδας.
Με προσεκτικό χειρισμό των συνθηκών καλλιέργειας, μπόρεσαν να καθοδηγήσουν την ανάπτυξη αυτών των οργανοειδών ώστε να μοιάζουν πολύ με τη δομή και τη λειτουργία της ανθρώπινης παρεγκεφαλίδας.
wikimedia commons
Αυτό που κατάφεραν για πρώτη φορά οι επιστήμονες είναι να καλλιεργήσουν σε ένα human organ-on-a-chip (HoaC) κύτταρα Purkinje που διαθέτουν τα μοριακά και ηλεκτροφυσιολογικά χαρακτηριστικά των λειτουργικών νευρώνων.
Ο εκφυλισμός των κυττάρων Purkinje σχετίζεται με διάφορες νευροαναπτυξιακές και νευροεκφυλιστικές διαταραχές, συμπεριλαμβανομένης της διαταραχής του φάσματος του αυτισμού και της παρεγκεφαλιδικής αταξίας, μιας κατάστασης που επηρεάζει τη μυϊκή κίνηση.
Αρκετοί επιστήμονες μέχρι τώρα έχουν αφιερώσει την περισσότερη έρευνά τους στη δημιουργία μιας τεχνολογίας που επιτρέπει σε ένα σύστημα ανθρώπινων οργάνων να αναδημιουργούνται σε μικρογραφία πάνω σε μικρο-ψηφίδες (μικροτσιπ), να
διασυνδέονται μεταξύ τους και να χωρούν όλα μέσα στην παλάμη του ενός χεριού μας.
Οι μικρο-ψηφίδες (μικροτσιπ) που διαθέτουν κανάλια/ θαλάμους της τάξης 1 μικρομέτρου μέχρι μερικών χιλιοστών για μεταφορά υγρών/ διαλυμάτων, προσφέρουν τη δυνατότητα μικροσκοπικής αναδημιουργίας ανθρώπινων οργανοειδών (μίνι οργάνων μεγέθους 1-3 χιλιοστών συνήθως).
Μικροσκοπικές εκδοχές εγκεφάλου, ήπατος, πνευμόνων, νεφρών και άλλων ζωτικών οργάνων κατασκευάζονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αναπαράγουν ορισμένες από τις βασικές λειτουργίες των ανθρώπινων ομολόγων τους, όπως για παράδειγμα, τις αναπνευστικές κινήσεις ή τις μυϊκές συσπάσεις κυττάρων.
Οι μικρο-ψηφίδες μπορούν επίσης να διασυνδέουν δύο, τρία ή και τέσσερα οργανοειδή και, μετά τη διοχέτευση σε αυτές φαρμάκων δοκιμαστικά, να επιτρέπουν στους επιστήμονες να παρατηρούν τον τρόπο που οι ουσίες αλληλεπιδρούν με αυτά τα μιμητικά ανθρώπινα όργανα.
«Η συν-ανάπτυξη και η ωρίμανση των κύριων κυτταρικών τύπων της αναπτυσσόμενης παρεγκεφαλίδας σε ένα ανθρώπινο οργανοειδές μοντέλο παρέχουν έναν νέο τρόπο για να εξερευνήσουμε την υποκείμενη βιολογία του οργάνου καθώς και των διαταραχών και των προχωρημένων θεραπευτικών παρεμβάσεων», εξήγησε η Quadrato.
Τα οργανοειδή της Quadrato εμφάνισαν βασικά χαρακτηριστικά της παρεγκεφαλιδικής ανάπτυξης, συμπεριλαμβανομένου του σχηματισμού διακριτών τύπων κυττάρων και της δημιουργίας νευρωνικών συνδέσεων.
Αυτό το μοντέλο παρέχει μια άνευ προηγουμένου ευκαιρία να μελετηθούν οι περίπλοκες διαδικασίες που εμπλέκονται στην ανάπτυξη της παρεγκεφαλίδας και στο τι μπορεί να πάει στραβά σε διάφορες ασθένειες.
Επιπλέον, οι ερευνητές απέδειξαν τις δυνατότητες αυτού του οργανοειδούς μοντέλου στη μελέτη των παρεγκεφαλιδικών διαταραχών. Επανέλαβαν με επιτυχία την ανώμαλη ανάπτυξη που παρατηρήθηκε σε μια σπάνια γενετική διαταραχή που ονομάζεται σύνδρομο Joubert, η οποία επηρεάζει την παρεγκεφαλίδα και οδηγεί σε κινητικές και γνωστικές βλάβες.
Αυτή η ανακάλυψη έχει σημαντικές επιπτώσεις στον τομέα της νευροεπιστήμης και στην ανάπτυξη πιθανών θεραπειών για παρεγκεφαλιδικές διαταραχές. Το οργανοειδές μοντέλο προσφέρει μια μοναδική πλατφόρμα για τη δοκιμή νέων φαρμάκων και την
κατανόηση των υποκείμενων μηχανισμών αυτών των ασθενειών.
Τα οργανοειδή σχημάτισαν για παράδειγμα, ανθρώπινα προγονικά κύτταρα, τα οποία σχετίζονται με το μυελοβλάστωμα, τον πιο διαδεδομένο μεταστατικό όγκο του εγκεφάλου στα παιδιά. Αυτό τα καθιστά ένα δυνητικά χρήσιμο μοντέλο για τη μελέτη και την εύρεση θεραπειών για αυτόν τον παιδιατρικό καρκίνο.
Αν και χρειάζεται ακόμη πολλή δουλειά, αυτό το οργανοειδές «game changer» μοντέλο σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα στην κατανόηση της ανάπτυξης και των διαταραχών της ανθρώπινης παρεγκεφαλίδας.
Ανοίγει νέους δρόμους για έρευνα και μας φέρνει πιο κοντά στην εύρεση αποτελεσματικών θεραπειών για τις παρεγκεφαλιδικές διαταραχές που επηρεάζουν εκατομμύρια ανθρώπους σε όλο τον κόσμο.
Η μελέτη για το οργανοειδές μοντέλο της ανθρώπινης παρεγκεφαλίδας δημοσιεύτηκε στις 4 Ιανουαρίου στο περιοδικό Cell Stem Cell.
