Ερευνητές στην Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λοζάνης (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) ανέπτυξαν τον κυτταρικό άτλαντα ανοιχτού κώδικα Tabulae Paralytica, που είναι ένα τετραδιάστατο μοντέλο τραυματισμού του νωτιαίου μυελού σε ποντίκια, για να δουν το πως ανταποκρίνονται σε κακώσεις διαφορετικού βαθμού σοβαρότητας σχεδόν μισό εκατομμύριο κύτταρα του νωτιαίου μυελού με την πάροδο του χρόνου.
Το μοντέλο, που δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να δώσουν απαντήσεις σε εκκρεμή ερωτήματα και να αναπτύξουν νέες θεραπείες για άτομα με τραυματισμό του νωτιαίου μυελού (spinal cord injuries, SCI).
Μάλιστα, η θεμελιώδης αυτή εργασία, όχι μόνο προσδιορίζει ένα συγκεκριμένο σύνολο νευρώνων και γονιδίων που διαδραματίζουν βασικό ρόλο στην ανάκαμψη του οργάνου από τραυματισμούς, αλλά προτείνει επίσης μια επιτυχημένη γονιδιακή θεραπεία που προέκυψε από τις ανακαλύψεις της.
Ο καθηγητής Grégoire Courtine που ηγήθηκε της μελέτης
Πίσω από το έργο βρίσκεται η ερευνητική ομάδα NeuroRestore του Grégoire Courtine, του Γάλλου νευροεπιστήμονα που μαζί με τη νευροχειρουργό Jocelyne Bloch από την Ελβετία εμπνεύστηκαν μια ασύρματη εμφυτεύσιμη στον νωτιαίο μυελό συσκευή και βοήθησαν παράλυτα άτομα να σηκωθούν από το αναπηρικό καροτσάκι και να περπατήσουν.
Τώρα οι επιστήμονες στο EPFL, με την χαρτογράφηση της κυτταρικής και μοριακής δυναμικής της παράλυσης, με πρωτοφανή λεπτομέρεια πέτυχαν ένα σημαντικό ερευνητικό ορόσημο στον τομέα του τραυματισμού του νωτιαίου μυελού.
Και αυτό είναι πραγματικά, είδηση!
‘Επανάσταση’ στη βιολογική κατανόηση των κακώσεων του νωτιαίου μυελού
«Ο ανθρώπινος νωτιαίος μυελός είναι ένα από τα πιο περίπλοκα βιολογικά συστήματα που είναι γνωστά στην επιστήμη. Ο ρόλος του είναι να μεταφέρει τις σκέψεις από τον εγκέφαλό μας στους μύες για να κινούμαστε. Φανταστείτε έναν σωλήνα με εκατομμύρια καλώδια που μεταφέρουν εντολές. Αποτελείται από πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων που λειτουργούν αρμονικά για να παράγουν και να ρυθμίζουν ένα πλήθος νευρολογικών λειτουργιών, συμπεριλαμβανομένου ενός φυσικού, κομψού βαδίσματος.
Αυτή η κυτταρική πολυπλοκότητα ενισχύει τις προκλήσεις για την αποτελεσματική αντιμετώπιση της παράλυσης που προκαλείται από τραυματισμό του νωτιαίου μυελού», σχολιάζει ο Αχιλλέας Λασκαράτος που είναι ιατρός ερευνητής στην ομάδα NeuroRestore και ο οποίος συμμετείχε στη μελέτη.
Οι μέχρι τώρα παραδοσιακές μέθοδοι απεικόνισης και χαρτογράφησης πρόσφεραν μια γενικευμένη άποψη των κυτταρικών μηχανισμών του τραυματισμού του νωτιαίου μυελού. Ωστόσο, εξακολουθούσαν να παραμένουν θολοί οι διακριτοί ρόλοι και οι αντιδράσεις μεμονωμένων τύπων κυττάρων, εμποδίζοντας την ανάπτυξη στοχευμένων θεραπειών.
«Σε αυτή τη μελέτη στοχεύσαμε σε μια ‘επανάσταση’ στη βιολογική κατανόηση του τραυματισμού του νωτιαίου μυελού», σχολιάζει σε σχετικό δελτίο τύπου ο Courtine και συνεχίζει: «Προσφέροντας μια εξαιρετικά λεπτομερή άποψη της κυτταρικής και μοριακής δυναμικής του τραυματισμού του νωτιαίου μυελού σε ποντίκια στον χώρο και στον χρόνο, οι τέσσερις κυτταρικοί άτλαντες που συνιστούν τον Tabulae Paralytica καλύπτουν ένα ιστορικό κενό γνώσης και ανοίγουν τον δρόμο για στοχευμένες θεραπείες και για ενισχυμένη ανάκαμψη».
Για να δημιουργήσουν τον πρώτο ολοκληρωμένο κυτταρικό χάρτη τραυματισμών του νωτιαίου μυελού σε μοντέλα τρωκτικών, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο καινοτόμες τεχνολογίες. Η πρώτη είναι η αλληλούχηση γενετικού υλικού που εξετάζει τη γενετική σύνθεση κάθε κυττάρου και η δεύτερη είναι η χωρική μεταγραφική, μια υπολογιστική προσέγγιση με τεχνολογία αιχμής που δείχνει πού ακριβώς συμβαίνουν οι κυτταρικές δραστηριότητες.
Η τελευταία αξιοποιεί την τεχνητή νοημοσύνη όχι μόνο για να χαρτογραφήσει τις άμεσες γενετικές αποκρίσεις μεμονωμένων κυττάρων αλλά και για να τοποθετήσει αυτές τις αποκρίσεις μέσα στο φυσικό και χρονικό τοπίο του νωτιαίου μυελού.
Κατανοώντας τους τραυματισμούς
Οι ερευνητές εξέτασαν τμήματα του νωτιαίου μυελού από 52 υγιή και τραυματισμένα ποντίκια-με 18 διαφορετικούς τύπους και διαφορετικού βαθμού σοβαρότητας τραυματισμούς του νωτιαίου μυαλού- σε μια, τέσσερις, επτά, δεκατέσσερις, τριάντα και εξήντα ημέρες μετά τον τραυματισμό τους, προκειμένου να διερευνήσουν το πώς ανταποκρίθηκαν 482.825 κύτταρα στην κάκωση με την πάροδο του χρόνου.
Ο νωτιαίος μυελός, όπως και ο εγκέφαλος, αποτελείται από ευαίσθητο ιστό που απομονώνεται από το ανοσοποιητικό σύστημα του σώματος με φυσικά εμπόδια τα οποία περιορίζουν την είσοδο των κυττάρων του ανοσοποιητικού. Αλλά όταν ο νωτιαίος μυελός τραυματίζεται, τα κύτταρα του ανοσοποιητικού από το αίμα διεισδύουν στο σημείο του τραυματισμού και πυροδοτούν τις φλεγμονώδεις αντιδράσεις. Αυτό διατηρεί τον τραυματισμό χωρίς μόλυνση, αλλά μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την επούλωση και να επιδεινώσει τις βλάβες.
Ο γιατρός-ερευνητής Αχιλλέας Λασκαράτος
«Μετά από έναν τραυματισμό του νωτιαίου μυελού, ενεργοποιούνται τα λεγόμενα αστροκύτταρα, τα οποία σχηματίζουν ένα προστατευτικό φράγμα γύρω από την βλάβη. Αυτό το φράγμα εμποδίζει την εξάπλωση των φλεγμονωδών κυττάρων και προστατεύει τον υπόλοιπο νωτιαίο μυελό, διατηρώντας νευρολογικές λειτουργίες όπως το περπάτημα. Διαπιστώσαμε ότι ενώ αυτό το φράγμα σχηματίζεται σωστά σε νεαρά ποντίκια, αποτυγχάνει εντελώς να σχηματιστεί σε ηλικιωμένα ποντίκια, με καταστροφικές συνέπειες, όπως επέκταση της βλάβης, έντονη απώλεια νευρώνων και μόνιμη παράλυση. Αυτή η ανακάλυψη εξηγεί γιατί οι ηλικιωμένοι με τραυματισμούς του νωτιαίου μυελού έχουν πολύ χειρότερη πρόγνωση συγκριτικά με τους νέους ανθρώπους», εξηγεί ο Λασκαράτος.
Γονιδιακή θεραπεία
Από τη νέα αυτή κατανόηση της περίπλοκης κυτταρικής δυναμικής της παράλυσης προκύπτει και η πρώτη θεραπεία, που είναι μια στοχευμένη γονιδιακή θεραπεία αποκατάστασης του τραύματος μετά από κακώσεις νωτιαίου μυελού σε ηλικιωμένα ποντίκια. Η θεραπεία αξιοποιεί το κρίσιμο εύρημα ότι τα αστροκύτταρα χάνουν την ικανότητά τους στους ηλικιωμένους οργανισμούς να ανταποκρίνονται σε τραυματισμούς.
«Για μεγάλο χρονικό διάστημα επικρατούσε η πεποίθηση ότι τα αστροκύτταρα ήταν επιζήμια για τη νευρική αποκατάσταση. Τα δεδομένα μας υποστηρίζουν την ανατροπή αυτού του δόγματος και προτείνουν έναν ουσιαστικό προστατευτικό ρόλο για αυτά τα κύτταρα που μπορούν να αξιοποιηθούν στην αποκατάσταση τραυματισμών του νωτιαίου μυελού», αναφέρει σε σχετικό δελτίο τύπου ο Mark Anderson του EPFL, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν ιό για να μεταφέρουν στα κύτταρα του νωτιαίου μυελού γονίδια προγραμματισμένα να εκφράζουν τρεις αυξητικούς παράγοντες, τους EGF, FGF2 και VEGF. Αυτές οι πρωτεΐνες ενεργοποιούν και επιστρατεύουν τα αστροκύτταρα αλλά και κύτταρα που σχηματίζουν τον φραγμό αίματος-νωτιαίου μυελού.
Όταν η θεραπεία εγχύθηκε στην περιοχή του τραύματος, δύο μέρες πριν τον τραυματισμό σε ηλικιωμένα ποντίκια αύξησε τον αριθμό των αστροκυττάρων που σχηματίζουν φραγμό, μείωσε τη διείσδυση επιβλαβών κυττάρων του ανοσοποιητικού και βοήθησε στην αποκατάσταση της ακεραιότητας του φραγμού αίματος-νωτιαίου μυελού. Ως αποτέλεσμα, τα ποντίκια που υποβλήθηκαν σε θεραπεία είχαν μικρότερες και πιο περιορισμένες βλάβες του νωτιαίου μυελού και ανέκτησαν την ικανότητά τους να περπατούν εξίσου καλά με τα νεαρά ποντίκια που υπέστησαν παρόμοιους τραυματισμούς.
«Ήταν εντυπωσιακό να βλέπεις στο μικροσκόπιο την επίδραση της γονιδιακής θεραπείας στην αποκατάσταση του νευροπροστατευτικού φράγματος. Τα τελευταία μας δεδομένα δείχνουν επίσης ότι αυτή η θεραπεία είναι αποτελεσματική ακόμη και όταν χορηγείται μετά τον τραυματισμό. Ο επόμενος στόχος μας είναι να επεκτείνουμε τη γονιδιακή θεραπεία για να αποκαταστήσουμε τις λειτουργίες των χεριών μετά από τραυματισμό του νωτιαίου μυελού.
Αυτή είναι η τρέχουσα μελέτη μου και τα πρώτα μας αποτελέσματα είναι ελπιδοφόρα. Πρόσφατα καταφέραμε να αναγεννήσουμε νευρώνες κατά μήκος μιας βλάβης του νωτιαίου μυελού σε ποντίκια με παράλυτα χέρια, πραγματοποιώντας έναν πολυετή στόχο στη νευροεπιστήμη. Αν και η παρούσα μελέτη παρέχει απόδειξη αρχής, απαιτείται περισσότερη δουλειά για να μεταφέρουμε τη γονιδιακή θεραπεία από τον πάγκο του εργαστηρίου στο κλινικό περιβάλλον, δυνητικά βελτιώνοντας την ποιότητα ζωής ανθρώπων με τραύμα του νωτιαίου μυελού. Αλλά αυτό είναι το όραμά μας», προσθέτει ο Έλληνας επιστήμονας.
Αναδιοργάνωση νευρωνικών κυκλωμάτων
Ένα άλλο βασικό αποτέλεσμα της μελέτης είναι ο εντοπισμός ενός συγκεκριμένου πληθυσμού νευρώνων, γνωστών ως ‘νευρώνες Vsx2’, που είναι εγγενώς προσανατολισμένοι προς την προώθηση της ανάκαμψης του νωτιαίου μυελού.
«Με αυτή τη νέα, λεπτομερή κατανόηση βεβαιωθήκαμε ότι οι νευρώνες Vsx2 είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνοι για την αναδιοργάνωση των νευρικών κυκλωμάτων, πράγμα που σημαίνει ότι είναι μακράν ο πιο ενδιαφέρων πληθυσμός νευρώνων για επιδιόρθωση του νωτιαίου μυελού από τραυματισμό», ισχυρίζεται ο Jordan Squair, άλλος ανώτερος συγγραφέας της μελέτης από το EPFL.
Όλοι όμως συμφωνούν πως ο Tabulae Paralytica συνδυάζει την επιστημονική γνώση με την τεχνολογική καινοτομία για να ανοίξει νέους ορίζοντες στην κατανόηση και τη θεραπεία κακώσεων του νωτιαίου μυελού.
{https://www.youtube.com/watch?v=yxssbgMMt5E}
Αν και αυτή η μελέτη έχει διεξαχθεί χρησιμοποιώντας μοντέλα τρωκτικών, οι γνώσεις που αποκτήθηκαν αναμένεται να μεταφραστούν σε κλινικές εφαρμογές, όπου ο νευροεπιστήμονας Courtine και η ομάδα του έχουν σημειώσει σημαντικές προόδους για περισσότερο από μια δεκαετία.
Ο Grégoire Courtine συνίδρυσε το 2014 την εταιρεία Onward Medical, ως spin-off του EPFL και σήμερα εξακολουθεί να εργάζεται εκεί ως Επικεφαλής Επιστημονικός Υπεύθυνος. Η εταιρεία διεξάγει το έργο της στην Λοζάνη της Ελβετίας και στοχεύει στην αποκατάσταση νευρολογικών λειτουργιών όπως η βάδιση, η λειτουργία των χεριών και η ρύθμιση της πίεσης του αίματος σε ασθενείς με τραύμα στον νωτιαίο μυελό.
Η πρώτη θεραπεία της εταιρείας αποδείχθηκε αποτελεσματική και ασφαλής στην βελτίωση της λειτουργικότητας των χεριών σε μελέτη με 65 ασθενείς με χρόνια τετραπληγία, και αναμένεται να λάβει έγκριση από τον FDA έως το τέλος του έτους. Η θεραπεία αφορά ηλεκτρική διέγερση από την επιφάνεια του δέρματος, της περιοχής του νωτιαίου μυελού που ρυθμίζει τις κινήσεις των χεριών.
Η εταιρεία επίσης εργάζεται στην ψηφιακή γέφυρα για την επανασύνδεση του εγκεφάλου με τον νωτιαίο μυελό, η οποία πέρυσι επέτρεψε σε έναν παράλυτο άνδρα να ξαναπερπατήσει. Έτσι, η Onward λαμβάνει εξέχουσα θέση στον τομέα της διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή, όπου ενεργοποιείται και η εταιρεία Neuralink του Elon Musk και έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον προσωπικοτήτων όπως ο Jeff Bezos.
