Τα εγκεφαλικά οργανοειδή είναι τρισδιάστατα κυτταρικά μοντέλα ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού, μικροσκοπικά συσσωματώματα κυττάρων που αναπτύσσονται σε εργαστηριακό τρυβλίο όταν βλαστοκύτταρα εκτίθενται σε χημικές ουσίες οι οποίες τα ωθούν να σχηματίσουν δομές που θυμίζουν τον εμβρυϊκό εγκέφαλο. Μια ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ, με επικεφαλής την Paola Arlotta, ανακοίνωσε τώρα ότι κατάφερε να διατηρήσει τέτοια οργανοειδή του εγκεφαλικού φλοιού ζωντανά για σχεδόν έξι χρόνια — και ότι αυτά ωρίμασαν με ρυθμό αντίστοιχο εκείνου του πραγματικού ανθρώπινου εγκεφάλου. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature.
- Οργανοειδή εγκεφαλικού φλοιού επέζησαν σχεδόν έξι χρόνια, τα πιο μακρόβια που έχουν μελετηθεί λεπτομερώς.
- Η γονιδιακή δραστηριότητα πεντάχρονων οργανοειδών αντιστοιχούσε σε εκείνη του εγκεφάλου παιδιού περίπου τεσσάρων ετών.
- Οι νευρώνες παρήγαγαν ηλεκτρικά σήματα που τα οργανοειδή διατήρησαν για τουλάχιστον δύο χρόνια.
Γιατί τα προηγούμενα μοντέλα ήταν βραχύβια
Τα ζωικά μοντέλα αναπαράγουν ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της ανθρώπινης εγκεφαλικής ανάπτυξης, όμως δεν είναι κατάλληλα για τη μελέτη μιας διαδικασίας που φυσιολογικά εκτυλίσσεται επί σχεδόν δύο δεκαετίες. Επειδή σπάνια είναι εφικτό να εξεταστεί αυτή η διαδικασία απευθείας στον άνθρωπο σε κυτταρικό επίπεδο, οι επιστήμονες στράφηκαν στα οργανοειδή.
Μέχρι σήμερα, όμως, το κόστος και η χειρωνακτική εργασία που απαιτούνται σήμαιναν ότι τα μοντέλα αυτά καλλιεργούνταν συνήθως μόνο για λίγους μήνες, μιμούμενα αποκλειστικά τα πρώιμα στάδια ανάπτυξης. Το 2021 ερευνητές είχαν κατορθώσει να τα διατηρήσουν έως δύο χρόνια. Η ομάδα της Arlotta είχε επίσης λύσει νωρίτερα ένα άλλο πρόβλημα, τη μεγάλη μεταβλητότητα μεταξύ παρτίδων, αναπτύσσοντας μέθοδο παραγωγής οργανοειδών με σταθερή κυτταρική σύσταση.
Κύτταρα που ωριμάζουν στον ρυθμό του πραγματικού εγκεφάλου
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές παρακολούθησαν σε επίπεδο μεμονωμένου κυττάρου τη γονιδιακή έκφραση, τη βιολογική ηλικία —όπως αποτυπώνεται σε χημικές τροποποιήσεις του γονιδιώματος— και την κυτταρική δομή. Ανίχνευσαν την εμφάνιση και ωρίμανση νευρώνων και των υποστηρικτικών γλοιακών κυττάρων, με πολλά αναπτυξιακά ορόσημα να συμβαίνουν με τον ίδιο ρυθμό που θα εμφανίζονταν φυσιολογικά στον ανθρώπινο εγκέφαλο.
Συγκρίνοντας τις μετρήσεις με δεδομένα από εγκεφάλους εμβρύων, η ομάδα διαπίστωσε ότι στους 3 έως 6 μήνες τα οργανοειδή έμοιαζαν με τον εμβρυϊκό εγκέφαλο περίπου 3 έως 6 μηνών μετά τη σύλληψη. Με τον χρόνο, τα πεντάχρονα οργανοειδή εμφάνιζαν δραστηριότητα αντίστοιχη με εκείνη του εγκεφαλικού φλοιού ενός τυπικού παιδιού τεσσάρων ετών.
«Κατέγραφαν το πέρασμα του χρόνου στις επιγενετικές τους υπογραφές και στη γονιδιακή δραστηριότητα», ανέφερε η Arlotta.
Οι νευρώνες έδειξαν και λειτουργική ωριμότητα, δημιουργώντας συνδέσεις μεταξύ τους και εκπέμποντας ηλεκτρικά σήματα που διατηρήθηκαν για τουλάχιστον δύο χρόνια. Οι ερευνητές καλλιέργησαν τον ιστό σε ειδικό υγρό που υποστήριζε αυτή τη δραστηριότητα, κάτι που πιθανολογούν ότι ήταν καθοριστικό για τη μακροζωία των νευρώνων.
Ένα εσωτερικό «ρολόι» μέσα στα κύτταρα
Για να επιβεβαιώσουν ότι αυτό που παρατηρούσαν δεν ήταν συμπτωματικό, οι ερευνητές μετέφεραν νευρώνες από παλαιότερα σε νεότερα οργανοειδή. Παρότι δέχονταν σήματα από το νέο περιβάλλον, τα παλαιότερα κύτταρα συνέχισαν να αναπτύσσονται σαν να βρίσκονταν ακόμη στην προηγούμενη θέση τους, παραλείποντας αναπτυξιακά βήματα σε σχέση με τους νεότερους γείτονές τους.
«Μου αρέσει να το σκέφτομαι ως ένα είδος “στρέβλωσης του αναπτυξιακού χρόνου”, που δείχνει ότι τα κύτταρα των οργανοειδών καταγράφουν και ανακαλούν τον χρόνο που έχουν ήδη περάσει σε καλλιέργεια», εξήγησε η Arlotta, υποδηλώνοντας ότι η ανάπτυξή τους καθοδηγείται από ένα εγγενές, ενδοκυτταρικό ρολόι.
Τι σημαίνει αυτό για τη μελέτη νευρολογικών παθήσεων
Η μακροζωία και τα ρεαλιστικά χαρακτηριστικά αυτών των μοντέλων ανοίγουν, σύμφωνα με τους ερευνητές, τη δυνατότητα να μελετηθεί πώς αναδύονται σε μεταγενέστερα στάδια καταστάσεις όπως ο αυτισμός και η επιληψία. «Τα άνευ προηγουμένου χαρακτηριστικά αυτών των μοντέλων ιστού θα μπορούσαν να μας δώσουν την ευκαιρία να εμβαθύνουμε στο πώς εμφανίζονται και εξελίσσονται καταστάσεις όπως ο αυτισμός αργότερα στη ζωή», σημείωσε η Andrea Beckel-Mitchener, αναπληρώτρια διευθύντρια του Εθνικού Ινστιτούτου Ψυχικής Υγείας (NIMH) των ΗΠΑ.
Ο Andras Lakatos, του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ, που δεν συμμετείχε στη μελέτη, χαρακτήρισε το εύρημα ως την πρώτη απόδειξη ότι τα ανθρώπινα εγκεφαλικά οργανοειδή μπορούν όχι μόνο να αναπτυχθούν για περίπου πέντε χρόνια, αλλά και να εμφανίσουν προφίλ γήρανσης αντίστοιχο με εκείνο ενός εγκεφάλου παρόμοιας ηλικίας. Επισήμανε, ωστόσο, ότι λόγω των δυσκολιών στην καλλιέργεια, άλλες ομάδες δύσκολα θα μπορέσουν να αναπαραγάγουν εύκολα αυτό το επίτευγμα, και ότι η εύρεση τρόπων επιτάχυνσης της γήρανσης των οργανοειδών θα είναι σημαντική για την έρευνα.
Η ομάδα της Arlotta έχει καλλιεργήσει τον ίδιο τύπο οργανοειδών ακόμη και για επτά χρόνια, αν και, όπως αναφέρει, τα δείγματα αυτής της ηλικίας είναι πολύ λίγα για αξιόπιστη ανάλυση. Στο μέλλον οι ερευνητές σκοπεύουν να προσθέσουν ανατομική πολυπλοκότητα, να προσομοιώσουν αναπτυξιακές διαταραχές και να δοκιμάσουν πειραματικές θεραπείες, μεταξύ άλλων για τον έλεγχο φαρμάκων που ίσως τροποποιούν την εξέλιξη παθήσεων όπως η επιληψία.
Πόσο κοντά πιστεύετε ότι μας φέρνουν τέτοια εργαστηριακά μοντέλα στην κατανόηση παθήσεων όπως ο αυτισμός και η επιληψία; Μοιραστείτε τη γνώμη σας.
