Επιστήμονες δημιούργησαν ποντίκια με εν μέρει ανθρώπινο εγκέφαλο

Ερευνητές δημιούργησαν ποντίκια των οποίων ο εγκέφαλος αποτελείται κατά το ήμισυ από ανθρώπινα κύτταρα, στοχεύοντας στην κατανόηση και στην ανάπτυξη νέων θεραπειών για διαταραχές όπως η σχιζοφρένεια, η επιληψία, η εγκεφαλική παράλυση, η νοητική αναπηρία και σπάνιες μορφές άνοιας.

Η επιστημονική μέθοδος βασίστηκε στη μεταμόσχευση ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων —τα οποία καλλιεργήθηκαν στο εργαστήριο— σε ζώα που είχαν τροποποιηθεί γενετικά ώστε να γεννηθούν χωρίς εγκεφαλικό φλοιό και ιππόκαμπο. Μέσω αυτής της αφαίρεσης δημιουργήθηκε ο απαραίτητος χώρος εντός του κρανίου για την ανάπτυξη του ανθρώπινου ιστού.

Χάρη σε αυτή την τεχνική, οι ερευνητές μπορούν πλέον να απομονώνουν κύτταρα από ασθενείς με νευρολογικές ή ψυχιατρικές παθήσεις, να τα επαναπρογραμματίζουν εργαστηριακά σε εγκεφαλικό ιστό και στη συνέχεια να τα μεταφυτεύουν σε ζώντες οργανισμούς. Μέσω αυτής της οδού καθίσταται εφικτή η παρατήρηση της εξέλιξης μιας νόσου στον ανθρώπινο ιστό, καθώς και η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας νέων φαρμακευτικών ουσιών.

«Ως επιστημονική κοινότητα καταβάλλουμε τεράστιες προσπάθειες για την εύρεση θεραπευτικών λύσεων, ωστόσο η πραγματικότητα είναι ότι η ψυχιατρική και η νευρολογία έχουν μείνει πίσω σε σχέση με κάθε άλλον ιατρικό κλάδο, διαθέτοντας σημαντικά λιγότερες θεραπευτικές επιλογές», επισημαίνει ο Sergiu Pașca, καθηγητής Ψυχιατρικής και επικεφαλής της έρευνας στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ.

«Αυτό οφείλεται εν μέρει στην πολυπλοκότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου, αλλά κυρίως στο γεγονός ότι είναι απρόσιτος για άμεση μελέτη. Ο κύριος στόχος μας ήταν να καταστήσουμε προσβάσιμες στην έρευνα τις πτυχές της ανάπτυξης και της λειτουργίας του», πρόσθεσε.

Η συγκεκριμένη μελέτη, όπως γράφει ο Guardian, εντάσσεται στο αναπτυσσόμενο πεδίο των νευρικών οργανοειδών (neural organoids), όπου ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα καλλιεργούνται στο εργαστήριο και αυτο-οργανώνονται σε μικροσκοπικές, τρισδιάστατες δομές που μιμούνται βασικά χαρακτηριστικά του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Παρά τις τεράστιες προοπτικές για την ιατρική, η τεχνολογία των οργανοειδών εγείρει σοβαρά ηθικά διλήμματα. Οι προβληματισμοί εστιάζουν κυρίως στο αν αυτοί οι σχηματισμοί ιστού μπορούν να αποκτήσουν συνείδηση ή αίσθηση του πόνου, αλλά και στη μεταχείριση των ζώων στα οποία μεταμοσχεύονται.

Ο Pașca διαβεβαίωσε ότι η έρευνα διεξήχθη υπό αυστηρή ηθική εποπτεία από το αρχικό της στάδιο.

Την ανάγκη διαρκούς ελέγχου υπογράμμισαν και άλλοι ειδικοί. Η Emily Jackson, καθηγήτρια Νομικής στο London School of Economics και επικεφαλής πρόσφατης έκθεσης του Nuffield Council on Bioethics για τα νευρικά οργανοειδή, ανέφερε: «Η ευημερία των ζώων αποτελεί κομβικό ζήτημα. Είναι απαραίτητη η στενή παρακολούθησή τους ώστε να αξιολογούνται συνεχώς οι επιπτώσεις στην υγεία και τη συμπεριφορά τους».

Σε προγενέστερα πειράματα, η ομάδα του Στάνφορντ είχε μεταμοσχεύσει ανθρώπινους νευρώνες σε εγκεφάλους αρουραίων. Αν και ο ιστός ενσωματώθηκε και συνδέθηκε με τα νευρωνικά κυκλώματα των ζώων, ο περιορισμένος χώρος δεν επέτρεψε την περαιτέρω ανάπτυξή του.

Για να υπερβούν αυτόν τον περιορισμό, οι ερευνητές δημιούργησαν γενετικά τροποποιημένα ποντίκια στα οποία είχε ανασταλεί η ανάπτυξη του εγκεφαλικού φλοιού και του ιππόκαμπου. Παραδόξως, τα ζώα επιβίωσαν καθώς οι υπόλοιπες εγκεφαλικές δομές ανέλαβαν αντισταθμιστικά τις ελλείπουσες λειτουργίες. Μορφολογικά τα ποντίκια δεν διαφέρουν από τα υπόλοιπα, παρουσιάζουν όμως μια ελαφρά επιφυλακτικότητα στην κίνηση και ηπιότερη μνημονική ικανότητα.

Στην δημοσίευσή του στο περιοδικό Nature, ο Pașca περιγράφει τη διαδικασία κατά την οποία στα νεογνά ποντίκια εγχύθηκαν ανθρώπινα εγκεφαλικά οργανοειδή, τα οποία είχαν προέλθει από τον επαναπρογραμματισμό κυττάρων δέρματος από δότες. Κάθε νεογνό έλαβε διαδοχικές εγχύσεις συνολικά περίπου 100.000 ανθρώπινων κυττάρων στον κενό χώρο του κρανίου. Συνολικά, στα τρωκτικά έλειπαν περίπου 14 εκατομμύρια δικά τους κύτταρα, τα οποία αντικαταστάθηκαν από 4 εκατομμύρια ανθρώπινα.

Τρεις μήνες μετά τη διαδικασία, ο ανθρώπινος ιστός είχε συνδεθεί με την αιμάτωση του ποντικού, καλύπτοντας σχεδόν εξ ολοκλήρου την κενή κοιλότητα και καταλαμβάνοντας το μισό όγκο του εγκεφάλου του. Παράλληλα, παρατηρήθηκε η δημιουργία συνάψεων μεταξύ των ανθρώπινων νευρώνων και των εγκεφαλικών κυττάρων αλλά και του νωτιαίου μυελού του ποντικού.

Η αρχιτεκτονική και η δικτύωση των ανθρώπινων νευρώνων δεν ήταν ταυτόσημη με αυτή του ανθρώπινου εγκεφάλου, ενώ ο ιστός παρέμεινε σε ανώριμο στάδιο, ανάλογο με αυτό της μέσης εμβρυϊκής περιόδου. Οι δοκιμές στα ποντίκια έδειξαν ότι δεν απέκτησαν ανώτερες νοητικές ικανότητες, ωστόσο παρατηρήθηκε μικρή βελτίωση στο ασταθές βάδισμα και τις γνωστικές τους ελλείψεις.

Προκειμένου να αποδειχθεί η χρησιμότητα του μοντέλου στη μελέτη παθήσεων, ορισμένα ζώα εκτέθηκαν σε συνθήκες υποξίας για πέντε ώρες. Η διαδικασία αυτή ανέδειξε την ευαισθησία των ανθρώπινων νευρικών κυττάρων στη στέρηση οξυγόνου —έναν παράγοντα που κατά την περιγεννητική περίοδο μπορεί να οδηγήσει σε εγκεφαλική παράλυση.

Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι ο ανθρώπινος ιστός ανέπτυξε νευρώνες von Economo, έναν σπάνιο τύπο κυττάρων που μέχρι σήμερα εντοπιζόταν σχεδόν αποκλειστικά σε μεταθανάτιες ιστολογικές εξετάσεις. Τα συγκεκριμένα κύτταρα είναι από τα πρώτα που εκφυλίζονται στη μετωποκροταφική άνοια, μια σπάνια νευροεκφυλιστική νόσο την οποία ο Pașca φιλοδοξεί τώρα να μελετήσει μέσω αυτών των πειραματικών μοντέλων.

Από την πλευρά της, η καθηγήτρια Madeline Lancaster, επικεφαλής ερευνητικής ομάδας στο Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας MRC στο Κέιμπριτζ, σημείωσε ότι η συγκεκριμένη προσέγγιση ενδείκνυται κυρίως για ερωτήματα που απαιτούν τη μελέτη ενός ολόκληρου οργανισμού. «Είναι λιγότερο ξεκάθαρο πώς η μέθοδος αυτή θα συμβάλει στην κατανόηση της φυσιολογικής ανάπτυξης του ανθρώπινου εγκεφάλου, καθώς πρόκειται για μια τεχνητή συνθήκη που απέχει από τη φυσική διαδικασία», ανέφερε.

Η ίδια συμπλήρωσε ότι η πλειονότητα των ερευνητών επιδιώκει την καλλιέργεια των οργανοειδών αποκλειστικά in vitro (στο εργαστήριο), με στόχο τον περιορισμό της χρήσης πειραματόζωων. «Πρόκειται για ένα ηθικά ευαίσθητο πεδίο που απαιτεί ισχυρή επιστημονική τεκμηρίωση για τη χρήση ζώων. Παρότι ο αντικειμενικός στόχος παραμένει η ανάπτυξη αμιγώς in vitro μοντέλων, η παρούσα έρευνα προσφέρει πολύτιμα δεδομένα για τη βελτίωσή τους, ώστε να επιτευχθούν ωριμότερα στάδια ανάπτυξης στο εργαστήριο».