Άνθρωποι και ποντίκια – υβριδικοί εγκέφαλοι

04/11/2022

Σύγκριση νευρώνων οργανιδίου που έχει αναπτυχθεί σε δισκίο (αριστερά) και με μεταφύτευση σε αρουραίο (δεξιά). Πηγή: [β]

Ένα νέο επιστημονικό επίτευγμα είναι γεγονός με την επίτευξη της εμφύτευση ανθρώπινων εγκεφαλικών οργανιδίων σε αρουραίους για την μελέτη νευρολογικών παθήσεων με βιολογικό υπόβαθρο.

Το 1974, ο αμερικανός φιλόσοφος Thomas Nagel εξέδωσε ένα άρθρο με τον ελαφρώς περιπαικτικό τίτλο “Πώς είναι το να είναι κανείς νυχτερίδα;” [α]. Σε αυτό, χρησιμοποιούσε τη νυχτερίδα ως παράδειγμα ενός θηλαστικού ζώου που γενικά δεχόμαστε πως έχει ενός επιπέδου συνείδηση του εαυτού της και του κόσμου γύρω της. Πάνω σε αυτό το παράδειγμα ανέπτυσσε το επιχείρημα πως είμαστε, ως άνθρωποι, τόσο διαφορετικοί από μια νυχτερίδα που αν και μπορούμε να φανταστούμε πώς θα ήταν να πετάμε επί παραδείγματι, μπορούμε να το φανταστούμε μόνο “όπως το φαντάζεται ένας άνθρωπος”, όχι να το βιώσουμε “όπως το βιώνει καθημερινά μια νυχτερίδα”.

Από αυτή την αφετηρία θα κρατήσουμε ακριβώς τρία πράγματα: τη συνείδηση, τον εγκέφαλο που αντιλαμβάνεται και μελετά τον κόσμο, και έναν πολύ κοντινό ξάδερφο της νυχτερίδας, το ποντίκι. Πιο συγκεκριμένα, τον εργαστηριακό αρουραίο. Με την αφορμή του σημερινού άρθρου να είναι το επίτευγμα της επιτυχούς εμφύτευσης ανθρωπίνων “εγκεφαλικών οργανιδίων” στον εγκέφαλο μικρών αρουραίων και την παρακολούθηση της ανάπτυξής τους μέχρι την ενηλικίωση [β]. Σκοπός, η μελέτη νευρολογικών ασθενειών.

Πρώτα όμως πρέπει να εξηγήσουμε εν συντομία τα “εγκεφαλικά οργανίδια” [γ]. Μέχρι πρόσφατα, για να μελετήσουμε δίκτυα νευρώνων, τους καλλιεργούσαμε σε μια πλάκα και παρατηρούσαμε τον τρόπο που οργανώνονταν μεταξύ τους απλωμένοι σε ένα επίπεδο, καθώς και το πώς αλληλεπιδρούσαν αναμεταξύ τους και σε συνάρτηση με ερεθίσματα που τους παρείχαμε. Με άλλα λόγια, ήταν ένα εξαιρετικά απλοϊκό μοντέλο, πολύ μακριά από την τρισδιάστατη, πολύπλοκη και με πολλές ομάδες νευρώνων δομή του εγκεφάλου που θα θέλαμε να μπορούμε να μελετήσουμε.

Μετά από μία μακρά επoποιία αναπτυσσόμενων θεωρητικών εργαλείων και εργαστηριακών τεχνικών που ξεκινά από το 2013 [δ], πλέον είμαστε σε θέση να επιτρέψουμε σε κυτταρικές ομάδες να αναπτυχθούν και να οργανωθούν επιπλέοντας μέσα σε ένα θρεπτικό μέσο και όχι απλά πάνω σε μία πλάκα. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να οργανωθούν σε περίπλοκες, τρισδιάστατες δομές που  μοιάζουν στα χαρακτηριστικά με μέρη πραγματικών βιολογικών οργάνων, επιτρέποντάς μας να κάνουμε παρατηρήσεις για την ανάπτυξη και τη λειτουργία τους που δε μπορούσαμε καν να φανταστούμε πριν μια δεκαετία.

Οι περιορισμοί των εγκεφαλικών οργανιδίων μας επιστρέφουν στο επίτευγμα που αποτέλεσε αφορμή για το σημερινό άρθρο. Μπορεί να είναι εντυπωσιακό επίτευγμα, αλλά ταυτόχρονα δεν έχουν ούτε την πολύπλευρη υποστήριξη των πολλών κυτταρικών πληθυσμών που υπάρχουν μέσα σε ένα φυσιολογικό εγκέφαλο, από τα αγγεία που θα έτρεφαν τον ιστό μέχρι ομάδες κυττάρων που καθοδηγούν εφ’ όρου ζωής την ανάπτυξή τους. Πολύ περισσότερο, δεν έχουν την πολυτέλεια της ποικιλίας και της συνέχειας των ερεθισμάτων που δέχεται ένας πραγματικός εγκεφαλικός ιστός από τον υπόλοιπο εγκέφαλο και το περιβάλλον, πράγμα που καθορίζει την ανάπτυξη και τις λεπτομέρειες της δομής του.

Γι αυτό το λόγο λοιπόν, και επειδή ο ανθρώπινος εγκεφαλικός ιστός ωριμάζει πολύ πιο αργά από του αρουραίου, η επιστημονική ομάδα που αναφέραμε [β] προχώρησε σε εμφύτευση ανθρωπίνων εγκεφαλικών οργανιδίων στον εγκέφαλο μικρών αρουραίων, ώστε σε μια περίοδο ενός εξαμήνου να ωριμάσουν μαζί τους. Η πρώτη παρατήρηση ήταν πως όντως μπόρεσαν να αναπτύξουν (χάρη στην υποστήριξη και τα ερεθίσματα που δέχονταν) πολύ πιο περίπλοκη δομή από ό,τι μπορούσε μέχρι τώρα να γίνει εργαστηριακά. Η δεύτερη παρατήρηση ήταν πως εντάχθηκαν τόσο καλά στον περιβάλλοντα εγκέφαλο που απλώς λειτουργούσαν σαν άλλο ένα μέρος της καθημερινής ζωής και βιολογίας των πειραματόζωων.

Η πρώτη εφαρμογή μιας τέτοιας δουλειάς (όπως και ήδη έγινε στα πλαίσια αυτής της έρευνας) είναι η μελέτη νευρολογικών παθήσεων με σαφές βιολογικό υπόβαθρο: μπορούμε να δημιουργήσουμε και εμφυτεύσουμε οργανίδια που είναι είτε υγιή είτε προικισμένα με μια συγκεκριμένη πάθηση. Έτσι μελετούμε σε πραγματικό χρόνο την ανάπτυξη και την πορεία της πάθησης σε ανθρώπινο ιστό, και όχι έμμεσα μέσω πειραματοζώων που αναπτύσσουν μόνο ανάλογες, αλλά όχι τις ίδιες τις παθήσεις. Έτσι, εν έτει 2022 (και άλλη μία φορά σε ποντίκια, το 2018 [ε]), ένα μικρό κομμάτι ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού απάντησε στο -πιο δύσκολο από του Thomas Nagel- ερώτημα “πώς είναι το να είναι κανείς τρωκτικό;”

[α] Nagel, T. (1974). What is it like to be a bat? The Philosophical Review, 83(4), 435. https://doi.org/10.2307/2183914

[β] Revah, O., Gore, F., Kelley, K. W., Andersen, J., Sakai, N., Chen, X., Li, M.-Y., Birey, F., Yang, X., Saw, N. L., Baker, S. W., Amin, N. D., Kulkarni, S., Mudipalli, R., Cui, B., Nishino, S., Grant, G. A., Knowles, J. K., Shamloo, M., … Pașca, S. P. (2022). Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids. Nature, 610(7931), 319–326. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05277-w

[γ] Chiaradia, I., Lancaster, M. A. (2020). Brain organoids for the Study of Human Neurobiology at the interface of in vitro and in vivo. Nature Neuroscience, 23(12), 1496–1508. https://doi.org/10.1038/s41593-020-00730-3

[δ] Mariani, J., & Vaccarino, F. M. (2019). Breakthrough Moments: Yoshiki Sasai’s Discoveries in the Third Dimension. Cell stem cell, 24(6), 837–838. https://doi.org/10.1016/j.stem.2019.05.007

[ε] Mansour, A. A., Gonçalves, J. T., Bloyd, C. W., Li, H., Fernandes, S., Quang, D., Johnston, S., Parylak, S. L., Jin, X., & Gage, F. H. (2018). An in vivo model of functional and vascularized human brain organoids. Nature biotechnology, 36(5), 432–441. https://doi.org/10.1038/nbt.4127

Έκτωρ-Ξαβιέ Δελαστίκ, Εφαρμοσμένος Φυσικός, Υ.Δ. Τμήματος Ιατρικής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΠΗΓΗ: www.naftemporiki.gr