Λέιζερ «αναγεννά» νευρώνες!

Ελληνες ερευνητές χτίζουν σκαλωσιές για νευρικά κύτταρα με στόχο τη θεραπεία εκφυλιστικών νόσων

Ενα βήμα πιο κοντά στη «φυσική» αναγέννηση νευρώνων έφτασαν έλληνες επιστήμονες από το Ιδρυμα Τεχνολογίας και Ερευνας, στην Κρήτη, σε συνεργασία με Βρετανούς από το Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ. Με τη βοήθεια του ταχύτατου λέιζερ Ti: sapphire (τιτανίου - ζαφειρίου) οι ειδικοί κατάφεραν να κατασκευάσουν μικροσκοπικές «σκαλωσιές» από πολυμερές υλικό, επάνω στις οποίες στη συνέχεια αναπτύχθηκαν επιτυχώς νευρικά κύτταρα, τα οποία μάλιστα ακολουθούσαν συγκεκριμένη γεωμετρία. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε μελλοντικά, σύμφωνα με τους ερευνητές, να οδηγήσει στην αποκατάσταση τραυματισμών στη σπονδυλική στήλη ή ακόμη και στην αντιμετώπιση σοβαρών εκφυλιστικών νόσων, όπως π.χ. αυτές του Πάρκινσον και του Αλτσχάιμερ.
«Η ιδέα πίσω από το όλο εγχείρημα ήταν να φτιάξουμε ικριώματα, δηλαδή σκαλωσιές, επάνω στις οποίες να μπορούμε να αναπτύξουμε κύτταρα» εξηγεί αποκλειστικά στο «Βήμα» η επικεφαλής του Εργαστηρίου Μη Γραμμικής Λιθογραφίας του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ και μία εκ των συγγραφέων της μελέτης δρ Μαρία Φαρσάρη. «Να αποφύγουμε, δηλαδή, τις μεταμοσχεύσεις ιστών από νεκρούς δότες. Στόχος είναι να πάρουμε κύτταρα από τον ίδιο τον ασθενή - βλαστοκύτταρα ή κύτταρα που θα έχουν μεταποιηθεί - ώστε επάνω σε μια σκαλωσιά να μπορέσουμε να αναπτύξουμε τον τεχνητό ιστό και να αντικαταστήσουμε τον ιστό που έχει υποστεί βλάβες, π.χ. ένα τεχνητό ήπαρ ή ένα τεχνητό πάγκρεας».
«Στο εργαστήριό μας μπορούμε να κατασκευάσουμε τρισδιάστατες δομές με πάρα πολύ μεγάλη ακρίβεια, η οποία αγγίζει τα 70-80 νανόμετρα. Ετσι προσπαθήσαμε να αναπτύξουμε νευρικά κύτταρα με απώτερο σκοπό να δώσουμε την ευκαιρία π.χ. σε ασθενείς με τραυματισμούς στη σπονδυλική στήλη να αναπτύξουν ξανά τα νεύρα που έχουν καταστραφεί λόγω ατυχήματος ή ασθένειας κτλ.» επισημαίνει η ειδικός.
Τρισδιάστατες κωνοειδείς δομές δουλεμένες με λέιζερ, επάνω στις οποίες καλλιεργήθηκαν PC12 νευρικά κύτταρα. Εδώ, απεικονίζονται σε νανοκλίμακα καλλιέργειες επτά ημερών



Βιοδιασπώμενα πολυμερή και αυστηρή γεωμετρία
Τα πολυμερή υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη αναπτύχθηκαν από τους ειδικούς του Ινστιτούτου Ερευνας Kroto, του Τμήματος Μηχανικών Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστημίου του Σέφιλντ. Σύμφωνα με τη δρα Φαρσάρη, πρόκειται για πολυλακτικό οξύ (PLA) το οποίο είναι βιοδιασπώμενο. Το εντυπωσιακό με το συγκεκριμένο υλικό εντοπίζεται στο γεγονός ότι διασπάται ταυτόχρονα με την ανάπτυξη των νευρικών κυττάρων. Ετσι, εκεί όπου υπάρχει αρχικά μια σκαλωσιά από πολυμερή, αυτή σιγά σιγά αντικαθίσταται από τα νευρικά κύτταρα τα οποία πολλαπλασιάζονται.
«Το πολυλακτίδιο διασπάται σε γαλακτικό οξύ, το οποίο παράγεται από τους μυς όταν ασκούμαστε και κουραζόμαστε και στη συνέχεια μας προκαλεί τον έντονο μυϊκό πόνο. Είναι, δηλαδή, κάτι τελείως βιοσυμβατό και φυσικό για τον οργανισμό. Με τη βοήθεια του λέιζερ δώσαμε την κατάλληλη γεωμετρία στην επιφάνεια αυτή. Για την ανάπτυξη των νευρικών κυττάρων δεν χρησιμοποιήσαμε αυξητικούς παράγοντες. Δώσαμε ωστόσο μια τοπογραφία σε νανοκλίμακα - η καλύτερη ανάλυση που πιάσαμε σε αυτά τα υλικά ήταν 800 νανόμετρα. Με το να καλλιεργήσουμε τα κύτταρα επάνω σε αυτές τις δομές, τους δώσαμε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και δείξαμε ακόμη ότι δεν πεθαίνουν» μας εξηγεί η δρ Φαρσάρη. Συγκεκριμένα οι ειδικοί διαπίστωσαν ότι η «χημεία» μεταξύ των δομών και των νευρικών κυττάρων ήταν τόσο δυνατή ώστε μέσα σε διάστημα πέντε ημερών νεκρώθηκε ποσοστό μικρότερο του 10% των νευρικών κυττάρων που καλλιεργήθηκαν.
Στην παρούσα φάση οι ειδικοί χρησιμοποιούν σωλήνες μέσα στους οποίους τοποθετούν τα νευρικά κύτταρα, με αποτέλεσμα αυτά να λαμβάνουν μια γενική κατεύθυνση ως σύνολο. Αυτό που έκαναν τώρα οι επιστήμονες όμως με τη βοήθεια του λέιζερ ήταν να κατασκευάσουν λεπτομερείς νανοδομές κατευθύνοντας όχι μόνο τα κύτταρα άλλα και τους ίδιους τους νευρώνες. Στον τομέα της μηχανικής των ιστών η δημιουργία ικριωμάτων είναι μεγίστης σημασίας καθώς αυτά καθορίζουν την απόδοση, το μέγεθος και την κατεύθυνση που λαμβάνουν τα υπό ανάπτυξη κύτταρα.
«Η τεχνική που χρησιμοποιούμε είναι μοναδική από την άποψη ότι μπορούμε να φτιάξουμε τρισδιάστατες δομές με πάρα πολύ μεγάλη ακρίβεια ως προς τη γεωμετρία τους, μεταφράζοντας το σχέδιο του υπολογιστή σε πραγματικές δομές. Αντίθετα, οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται σήμερα για την κατασκευή ικριωμάτων δεν ακολουθούν συγκεκριμένη γεωμετρία, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνουν μια τυχαία κατανομή ως προς τη δημιουργία των ινών. Ακόμη κι αν δώσεις κατεύθυνση στις ίνες, πάλι δεν μπορείς να ελέγξεις τη γεωμετρία τους. Εμείς ελέγχοντας τη γεωμετρία δίνουμε κατεύθυνση στους υπό ανάπτυξη νευρώνες» περιγράφει η ειδικός. «Μέχρι στιγμής έχουμε δοκιμάσει δύο είδη κυττάρων: τα PC12, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως, και τα NG108-15, τα οποία χρησιμοποιούνται ως συστήματα ελέγχου».
 
Ελπίδα για εκατομμύρια ασθενείς
Μέσω του εκλεπτυσμένου σχεδιασμού τους οι σκαλωσιές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως οχήματα για τη μεταφορά νευρικών κυττάρων σε περιοχές που έχουν υποστεί βλάβες, όπου θα προσδένονται και θα αναπτύσσονται φυσικά. Τα ελπιδοφόρα ευρήματα, τα οποία παρουσιάστηκαν πριν από λίγες ημέρες με σχετική δημοσίευση στο επιστημονικό έντυπο «Biofabrication», θα μπορούσαν μελλοντικά να εφαρμοστούν για την αποκατάσταση τραυματισμών στη σπονδυλική στήλη και γενικά σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση χρειάζεται την αναγέννηση νευρώνων, π.χ. στην περίπτωση νευροεκφυλιστικών νόσων όπως αυτές του Πάρκινσον ή του Αλτσχάιμερ.
«Για να είμαστε ξεκάθαροι, δεν λέμε ότι θεραπεύουμε την Πάρκινσον, αλλά για να γίνει αυτό κάποια στιγμή θα πρέπει να δημιουργηθεί η κατάλληλη σκαλωσιά για την ανάπτυξη των νευρικών κυττάρων. Ολες οι δοκιμές που έχουμε κάνει ως τώρα είναι in vitro. Τώρα και σε συνεργασία με το Τμήμα Βιολογίας του ΙΤΕ έχουν ήδη ξεκινήσει δοκιμές in vivo, σε ποντίκια. Δεν γνωρίζουμε, παρ' όλα αυτά, πόσα χρόνια θα χρειαστούν ώσπου η συγκεκριμένη τεχνική να φτάσει στον άνθρωπο» τονίζει η δρ Φαρσάρη.
«Η ανάπτυξη πρωτοβουλιών που χαρακτηρίζονται από έντονη διεπιστημονικότητα, όπως αυτή που συνδέει τη βιολογία, τη χημεία και τα λέιζερ, μπορεί να οδηγήσει σε αποτελέσματα με μεγάλη προστιθέμενη επιστημονική και τεχνολογική αξία. Αυτή η προσέγγιση αποτελεί στρατηγική επιλογή στο ΙΤΕ, που σε συνδυασμό με το δυναμικό που υπάρχει στο Πανεπιστήμιο Κρήτης μπορεί να οδηγήσει σε τέτοιες επιτυχίες» σχολιάζει από την πλευρά του ο καθηγητής Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και πρόεδρος του ΙΤΕ Κώστας Φωτάκης.



Καλλιέργεια ινοβλαστών (a, b) και νευρικών κυττάρων (c, d). Παρατηρείται η ανάπτυξη των αξόνων τους με τη βοήθεια των οποίων ανιχνεύουν και προσδένονται στο περιβάλλον τους.



ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΟΥΝ ΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ
Την ίδια ώρα μια δεύτερη ερευνητική ομάδα από το ΙΤΕ, υπό τον δρα Εμμανουήλ Στρατάκη, επικεφαλής του Εργαστηρίου Μικρονανοδόμησης με Υπερβραχείς Παλμούς Λέιζερ, κατάφερε να αναπτύξει τρισδιάστατες καλλιέργειες νευρικών κυττάρων επάνω σε μικροτσίπ πυριτίου, τα οποία προηγουμένως είχε επεξεργαστεί με λέιζερ για τη δημιουργία μιας 3D σκαλωσιάς. Ως γνωστόν, η επικοινωνία μεταξύ των νευρικών κυττάρων πραγματοποιείται μέσω ασθενών ηλεκτρικών σημάτων. Μέσω της καλλιέργειας των κυττάρων αυτών επάνω σε ένα κατάλληλα διαμορφωμένο υπόστρωμα με τη μορφή μικροτσίπ (neurochip) δίνεται στους ειδικούς η δυνατότητα να καταγράψουν και να χαρακτηρίσουν τα σήματα αυτά αλλά και να μεταφέρουν προς τα κύτταρα εξωτερικό ηλεκτρικό ερέθισμα. Σύμφωνα με τον υποψήφιο διδάκτορα Μάριο Μπαρμπέρογλου, η δυνατότητα ανάπτυξης της συγκεκριμένης διεπαφής αποτελεί σημαντικό εργαλείο για την περαιτέρω κατανόηση της λειτουργίας ενός δικτύου νευρικών κυττάρων και του τρόπου με τον οποίο μεταδίδουν ή δέχονται πληροφορίες από το περιβάλλον τους.
Η ανάπτυξη και ιδιαίτερα ο διαχωρισμός του τύπου των κυττάρων εξαρτάται, σύμφωνα με τους ερευνητές, σε μεγάλο βαθμό από το περιβάλλον και το υπόστρωμα της καλλιέργειας, π.χ. κάποια κύτταρα δείχνουν προτίμηση σε χαμηλής τραχύτητας επιφάνειες ενώ άλλα σε υψηλής. «Η βασική μας έρευνα έχει να κάνει με το πώς από δισδιάστατες καλλιέργειες θα μεταβούμε σε τρισδιάστατες» μας εξηγεί ο δρ Στρατάκης. «Στόχος μας ήταν η δημιουργία μιας κατάλληλα διαμορφωμένης μικροσυσκευής η οποία να δέχεται ένα τρισδιάστατο νευρικό δίκτυο και να επιτρέπει μια αλληλεπίδραση της πληροφορίας. Μελλοντικά κάτι τέτοιο θα μπορούσε να εφαρμοστεί με δύο τρόπους: είτε μέσω της δημιουργίας ενός έξυπνου εμφυτεύματος που θα προχωρεί στην αναγέννηση νευρώνων είτε μέσω της δημιουργίας ενός μικροϋπολογιστή με δυνατότητες υπολογισμού με χρήση νευρικών κυττάρων. Να παρουσιάσουμε, δηλαδή, τον πρώτο υπολογισμό από ένα δίκτυο νευρικών κυττάρων».
«Ολες οι δοκιμές μας μέχρι στιγμής είναι in vitro - στο εργαστήριο -, εκτιμούμε όμως ότι σε δέκα χρόνια από σήμερα η φάση των δοκιμών σε ζώα θα έχει ολοκληρωθεί» καταλήγει ο ειδικός. Οι δοκιμές πραγματοποιούνται σε συνεργασία με τα Εργαστήρια Φαρμακολογίας και Ανοσολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης και το Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας του ΙΤΕ.

Μικρο-κωνικές δομές πυριτίου φτιαγμένες με ακτινοβόληση λέιζερ (σειρά a). Από την καλλιέργεια ινοβλαστών επάνω στις συγκεκριμένες επιφάνειες (σειρά b) παρατηρήθηκε προτίμηση σε δομές με χαμηλή τραχύτητα.

Posted in: επιστήμη