Εγκέφαλος Κακώσεις: Πρωτοποριακή τεχνική που αναπτύχθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης θα μπορούσε μια μέρα να παρέχει εξατομικευμένες επισκευές για όσους υποφέρουν από εγκεφαλικές κακώσεις. Οι ερευνητές απέδειξαν για πρώτη φορά ότι τα νευρικά κύτταρα μπορούν να εκτυπωθούν τρισδιάστατα για να μιμηθούν την αρχιτεκτονική του εγκεφαλικού φλοιού.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Communications. Οι εγκεφαλικές κακώσεις, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που προκαλούνται από τραύμα, εγκεφαλικό επεισόδιο και χειρουργική επέμβαση για όγκους στον εγκέφαλο, συνήθως οδηγούν σε σημαντική βλάβη του εγκεφαλικού φλοιού (το εξωτερικό στρώμα του ανθρώπινου εγκεφάλου), οδηγώντας σε δυσκολίες στη νόηση, την κίνηση και την επικοινωνία. Για παράδειγμα, κάθε χρόνο, περίπου 70 εκατομμύρια άνθρωποι παγκοσμίως υποφέρουν από τραυματική εγκεφαλική βλάβη (TBI), με 5 εκατομμύρια από αυτές τις περιπτώσεις να είναι σοβαρές ή θανατηφόρες. Επί του παρόντος, δεν υπάρχουν αποτελεσματικές θεραπείες για τις σοβαρές εγκεφαλικές κακώσεις, με αποτέλεσμα σοβαρές επιπτώσεις στην ποιότητα ζωής. Οι αναγεννητικές θεραπείες ιστών, ιδίως εκείνες στις οποίες οι ασθενείς λαμβάνουν εμφυτεύματα που προέρχονται από τα δικά τους βλαστικά κύτταρα, θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια πολλά υποσχόμενη οδό για τη θεραπεία των εγκεφαλικών κακώσεων στο μέλλον. Μέχρι σήμερα, ωστόσο, δεν υπήρχε μέθοδος που να εξασφαλίζει ότι τα εμφυτευμένα βλαστικά κύτταρα μιμούνται την αρχιτεκτονική του εγκεφάλου. Σε αυτή τη νέα μελέτη, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης κατασκεύασαν έναν εγκεφαλικό ιστό δύο στρωμάτων με τρισδιάστατη εκτύπωση ανθρώπινων νευρικών βλαστικών κυττάρων. Όταν εμφυτεύτηκαν σε φέτες εγκεφάλου ποντικού, τα κύτταρα έδειξαν πειστική δομική και λειτουργική ενσωμάτωση με τον ιστό ξενιστή. Ο επικεφαλής συγγραφέας Dr. Yongcheng Jin (Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) δήλωσε: “Αυτή η πρόοδος σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την κατασκευή υλικών με την πλήρη δομή και λειτουργία των φυσικών ιστών του εγκεφάλου. Το έργο θα προσφέρει μια μοναδική ευκαιρία να εξερευνήσουμε τη λειτουργία του ανθρώπινου φλοιού και μακροπρόθεσμα θα προσφέρει ελπίδα σε άτομα που υφίστανται εγκεφαλικές κακώσεις”. Η δομή του φλοιού κατασκευάστηκε από ανθρώπινα επαγόμενα πολυδύναμα βλαστικά κύτταρα (hiPSC), τα οποία έχουν τη δυνατότητα να παράγουν τους τύπους κυττάρων που βρίσκονται στους περισσότερους ανθρώπινους ιστούς. Ένα βασικό πλεονέκτημα της χρήσης των hiPSCs για την αποκατάσταση ιστών είναι ότι μπορούν εύκολα να προέλθουν από κύτταρα που συλλέγονται από τους ίδιους τους ασθενείς, και επομένως δεν θα προκαλούσαν ανοσολογική αντίδραση. Τα hiPSC διαφοροποιήθηκαν σε νευρικά προγονικά κύτταρα για δύο διαφορετικά στρώματα του εγκεφαλικού φλοιού, με τη χρήση συγκεκριμένων συνδυασμών αυξητικών παραγόντων και χημικών ουσιών. Στη συνέχεια, τα κύτταρα αιωρήθηκαν σε διάλυμα για να δημιουργηθούν δύο “βιοσύνδεσμοι”, οι οποίοι στη συνέχεια εκτυπώθηκαν για να παραχθεί μια δομή δύο στρωμάτων. Στην καλλιέργεια, οι τυπωμένοι ιστοί διατήρησαν την πολυεπίπεδη κυτταρική αρχιτεκτονική τους για εβδομάδες, όπως υποδεικνύεται από την έκφραση βιοδεικτών που αφορούν συγκεκριμένα στρώματα.
Τρισδιάστατα εκτυπωμένος εγκεφαλικός φλοιώδης ιστός δύο στρωμάτων που απεικονίζεται μέσα σε φέτα εγκεφάλου ποντικού.
Όταν οι τυπωμένοι ιστοί εμφυτεύτηκαν σε φέτες εγκεφάλου ποντικού, παρουσίασαν ισχυρή ενσωμάτωση, όπως έδειξε η προβολή νευρικών διεργασιών και η μετανάστευση νευρώνων πέρα από το όριο εμφυτεύματος-ξενιστή. Τα εμφυτευμένα κύτταρα παρουσίασαν, επίσης, σηματοδοτική δραστηριότητα, η οποία συσχετίστηκε με εκείνη των κυττάρων του ξενιστή. Αυτό δείχνει ότι τα κύτταρα του ανθρώπου και του ποντικού επικοινωνούσαν μεταξύ τους, επιδεικνύοντας λειτουργική καθώς και δομική ολοκλήρωση. Οι ερευνητές σκοπεύουν τώρα να τελειοποιήσουν περαιτέρω την τεχνική εκτύπωσης σταγονιδίων για να δημιουργήσουν σύνθετους πολυστρωματικούς ιστούς του εγκεφαλικού φλοιού που μιμούνται πιο ρεαλιστικά την αρχιτεκτονική του ανθρώπινου εγκεφάλου. Εκτός από τη δυνατότητα αποκατάστασης εγκεφαλικών τραυματισμών, αυτοί οι κατασκευασμένοι ιστοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην αξιολόγηση φαρμάκων, σε μελέτες ανάπτυξης του εγκεφάλου και στη βελτίωση της κατανόησης της βάσης της νόησης. Η νέα πρόοδος βασίζεται στο δεκαετές ιστορικό της ομάδας στην εφεύρεση και κατοχύρωση με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης για συνθετικούς ιστούς και καλλιεργούμενα κύτταρα. Η επικεφαλής συγγραφέας Dr. Linna Zhou (Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) δήλωσε: “Η τεχνική μας εκτύπωσης σταγονιδίων παρέχει ένα μέσο για τη δημιουργία ζωντανών τρισδιάστατων ιστών με επιθυμητές αρχιτεκτονικές, γεγονός που μας φέρνει πιο κοντά στη δημιουργία εξατομικευμένων θεραπειών εμφύτευσης για εγκεφαλικές βλάβες”. Ο επικεφαλής συγγραφέας αναπληρωτής καθηγητής Francis Szele (Τμήμα Φυσιολογίας, Ανατομίας και Γενετικής, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) πρόσθεσε: “Η χρήση ζωντανών εγκεφαλικών τομών δημιουργεί μια ισχυρή πλατφόρμα για την εξέταση της χρησιμότητας της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην αποκατάσταση του εγκεφάλου. Αποτελεί μια φυσική γέφυρα μεταξύ της μελέτης της ανάπτυξης των 3D εκτυπωμένων φλοιωδών στηλών in vitro και της ενσωμάτωσής τους σε εγκεφάλους σε ζωικά μοντέλα τραυματισμού”. Ο επικεφαλής συγγραφέας καθηγητής Zoltán Molnár (Τμήμα Φυσιολογίας, Ανατομίας και Γενετικής, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) δήλωσε: “Η ανάπτυξη του ανθρώπινου εγκεφάλου είναι μια λεπτή και περίπλοκη διαδικασία με πολύπλοκη χορογραφία. Θα ήταν αφελές να πιστεύουμε ότι μπορούμε να αναπαραστήσουμε ολόκληρη την κυτταρική εξέλιξη στο εργαστήριο. Παρ’ όλα αυτά, το έργο μας για την τρισδιάστατη εκτύπωση καταδεικνύει σημαντική πρόοδο στον έλεγχο της μοίρας και της διάταξης των ανθρώπινων iPSC για τη δημιουργία των βασικών λειτουργικών μονάδων του εγκεφαλικού φλοιού”. Ο επικεφαλής συγγραφέας καθηγητής Hagan Bayley (Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) δήλωσε: “Αυτό το φουτουριστικό εγχείρημα θα μπορούσε να επιτευχθεί μόνο με τις εξαιρετικά διεπιστημονικές αλληλεπιδράσεις που ενθαρρύνει το Martin School της Οξφόρδης, με τη συμμετοχή τόσο του Τμήματος Χημείας της Οξφόρδης όσο και του Τμήματος Φυσιολογίας, Ανατομίας και Γενετικής”.