Μια ομάδα επιστημόνων του Πανεπιστημίου του Wisconsin-Madison ανέπτυξε τον πρώτο τρισδιάστατο εκτυπωμένο εγκεφαλικό ιστό που μπορεί να αναπτυχθεί και να λειτουργεί όπως ο τυπικός εγκεφαλικός ιστός.
Όπως αναφέρεται, είναι ένα επίτευγμα με σημαντικές επιπτώσεις για τους επιστήμονες που μελετούν τον εγκέφαλο και εργάζονται σε θεραπείες για ένα ευρύ φάσμα νευρολογικών και νευροαναπτυξιακών διαταραχών, όπως το Αλτσχάιμερ και η νόσος του Πάρκινσον.
«Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό μοντέλο που θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς επικοινωνούν τα εγκεφαλικά κύτταρα και μέρη του εγκεφάλου στους ανθρώπους», λέει ο Su-Chun Zhang, καθηγητής νευροεπιστήμης και νευρολογίας στο UW–Madison’s Waisman Center.
«Ο ιστός μας παραμένει σχετικά λεπτός και αυτό διευκολύνει τους νευρώνες να λαμβάνουν αρκετό οξυγόνο και αρκετά θρεπτικά συστατικά από τα μέσα ανάπτυξης», λέει ο Yan.
«Θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο που βλέπουμε τη βιολογία των βλαστοκυττάρων, τη νευροεπιστήμη και την παθογένεια πολλών νευρολογικών και ψυχιατρικών διαταραχών».
Οι μέθοδοι εκτύπωσης έχουν περιορίσει την επιτυχία προηγούμενων προσπαθειών εκτύπωσης εγκεφαλικού ιστού, σύμφωνα με τον Zhang και τον Yuanwei Yan, επιστήμονα στο εργαστήριο του Zhang. Η ομάδα πίσω από τη νέα διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης περιέγραψε τη μέθοδό της στο περιοδικό Cell Stem Cell.
Αντί να χρησιμοποιούν την παραδοσιακή προσέγγιση της τρισδιάστατης εκτύπωσης, στοιβάζοντας τα στρώματα κάθετα, οι ερευνητές πήγαν οριζόντια. Τοποθέτησαν εγκεφαλικά κύτταρα, νευρώνες που αναπτύχθηκαν από επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα, σε ένα μαλακότερο τζελ «βιο-μελάνης» από ό,τι είχε χρησιμοποιηθεί σε προηγούμενες προσπάθειες.
«Ο ιστός έχει ακόμα αρκετή δομή για να συγκρατείται, αλλά είναι αρκετά μαλακός ώστε να επιτρέπει στους νευρώνες να αναπτυχθούν και να αρχίσουν να μιλάνε μεταξύ τους», λέει ο Zhang.
Τα κελιά είναι τοποθετημένα το ένα δίπλα στο άλλο σαν μολύβια τοποθετημένα το ένα δίπλα στο άλλο σε ένα τραπέζι.
«Ο ιστός μας παραμένει σχετικά λεπτός και αυτό διευκολύνει τους νευρώνες να λαμβάνουν αρκετό οξυγόνο και αρκετά θρεπτικά συστατικά από τα μέσα ανάπτυξης», λέει ο Yan.
Τα αποτελέσματα μιλούν από μόνα τους – δηλαδή, τα κύτταρα μπορούν να μιλήσουν μεταξύ τους. Τα τυπωμένα κελιά φτάνουν μέσω του μέσου για να σχηματίσουν συνδέσεις μέσα σε κάθε τυπωμένο στρώμα καθώς και μεταξύ των στρωμάτων, σχηματίζοντας δίκτυα συγκρίσιμα με τον ανθρώπινο εγκέφαλο.
Οι νευρώνες επικοινωνούν, στέλνουν σήματα, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω νευροδιαβιβαστών, ακόμη και σχηματίζουν κατάλληλα δίκτυα με κύτταρα υποστήριξης που προστέθηκαν στον εκτυπωμένο ιστό.
«Τυπώσαμε τον εγκεφαλικό φλοιό και το ραβδωτό σώμα και αυτό που βρήκαμε ήταν αρκετά εντυπωσιακό», λέει ο Zhang. «Ακόμη και όταν εκτυπώσαμε διαφορετικά κύτταρα που ανήκαν σε διαφορετικά μέρη του εγκεφάλου, ήταν ακόμα σε θέση να μιλούν μεταξύ τους με έναν πολύ ιδιαίτερο και συγκεκριμένο τρόπο».
Η τεχνική εκτύπωσης προσφέρει ακρίβεια — έλεγχο των τύπων και της διάταξης των κυττάρων — που δεν βρίσκεται σε οργανοειδή του εγκεφάλου, μικροσκοπικά όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη του εγκεφάλου. Τα οργανοειδή αναπτύσσονται με λιγότερη οργάνωση και έλεγχο.
«Το εργαστήριό μας είναι πολύ ιδιαίτερο καθώς είμαστε σε θέση να παράγουμε σχεδόν οποιοδήποτε τύπο νευρώνων ανά πάσα στιγμή. Τότε μπορούμε να τα συνδυάσουμε σχεδόν οποιαδήποτε στιγμή και με όποιον τρόπο θέλουμε», λέει ο Zhang.
«Επειδή μπορούμε να εκτυπώσουμε τον ιστό βάσει σχεδίου, μπορούμε να έχουμε ένα καθορισμένο σύστημα για να δούμε πώς λειτουργεί το δίκτυο του ανθρώπινου εγκεφάλου μας. Μπορούμε να δούμε πολύ συγκεκριμένα πώς μιλάνε τα νευρικά κύτταρα μεταξύ τους υπό συγκεκριμένες συνθήκες, επειδή μπορούμε να εκτυπώσουμε ακριβώς αυτό που θέλουμε».
Αυτή η ιδιαιτερότητα παρέχει ευελιξία. Ο εκτυπωμένος εγκεφαλικός ιστός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της σηματοδότησης μεταξύ των κυττάρων στο σύνδρομο Down, των αλληλεπιδράσεων μεταξύ υγιών ιστών και των γειτονικών ιστών που επηρεάζονται από το Αλτσχάιμερ, για τη δοκιμή νέων υποψηφίων φαρμάκων ή ακόμα και για την παρακολούθηση του εγκεφάλου να αναπτύσσεται.
«Στο παρελθόν, κοιτούσαμε συχνά ένα πράγμα τη φορά, πράγμα που σημαίνει ότι συχνά χάνουμε ορισμένα κρίσιμα στοιχεία. Ο εγκέφαλός μας λειτουργεί σε δίκτυα. Θέλουμε να εκτυπώσουμε εγκεφαλικό ιστό με αυτόν τον τρόπο, επειδή τα κύτταρα δεν λειτουργούν από μόνα τους. Μιλάνε μεταξύ τους. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί ο εγκέφαλός μας και πρέπει να τον μελετήσουμε όλοι μαζί για να τον κατανοήσουμε πραγματικά», λέει ο Zhang.
«Ο εγκεφαλικός μας ιστός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη σχεδόν κάθε σημαντικής πτυχής, κάτι πάνω στο οποίο εργάζονται πολλοί άνθρωποι στο Waisman Center. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξετάσει τους μοριακούς μηχανισμούς που κρύβονται πίσω από την ανάπτυξη του εγκεφάλου, την ανθρώπινη ανάπτυξη, τις αναπτυξιακές αναπηρίες, τις νευροεκφυλιστικές διαταραχές και πολλά άλλα».
Η νέα τεχνική εκτύπωσης θα πρέπει επίσης να είναι προσβάσιμη σε πολλά εργαστήρια. Δεν απαιτεί ειδικό εξοπλισμό βιοεκτύπωσης ή μεθόδους καλλιέργειας για να διατηρείται ο ιστός υγιής και μπορεί να μελετηθεί σε βάθος με μικροσκόπια, τυπικές τεχνικές απεικόνισης και ηλεκτρόδια που είναι ήδη κοινά στο πεδίο.
Οι ερευνητές θα ήθελαν να διερευνήσουν τις δυνατότητες εξειδίκευσης, ωστόσο, βελτιώνοντας περαιτέρω τη βιομελάνη τους και βελτιώνοντας τον εξοπλισμό τους για να επιτρέψουν συγκεκριμένους προσανατολισμούς των κυττάρων εντός του τυπωμένου ιστού τους.
«Μπορούμε να κάνουμε κάποιες εξειδικευμένες βελτιώσεις για να μας βοηθήσουν να εκτυπώσουμε συγκεκριμένους τύπους εγκεφαλικού ιστού κατά παραγγελία», ανέφερε ο Yan
Δείτε εδω: “3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity”
(photo: pixabay)
