Δεν πρόκειται για σενάριο επιστημονικής φαντασίας ούτε για κάποια ανυπόστατη ερευνητική ιδέα. Η δημιουργία μίνι-οργάνων είναι πλέον αδιαμφισβήτητη για πολλά εργαστήρια ανά τον κόσμο. Πρόκειται στην ουσία για ένα επαναστατικό γεγονός, που αλλάζει το παρόν και το μέλλον της επιστήμης.
Εδώ και δεκαετίες οι επιστήμονες βασίζονται στην καλλιέργεια κυττάρων ή στη χρήση ζώων, προκειμένου να μελετήσουν διάφορα νοσήματα και να ελέγξουν ουσίες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως φάρμακα. Όμως αυτές οι μέθοδοι δεν αποδίδουν με ακρίβεια τις πολύπλοκες βιολογικές διεργασίες που συμβαίνουν στον άνθρωπο. Τα τελευταία χρόνια, προκειμένου να ξεπεραστεί το εμπόδιο αυτό, οι έρευνες έχουν προσανατολιστεί στη δημιουργία οργανοειδών.
Πρόκειται για τρισδιάστατα συστήματα κυτταροκαλλιεργειών που δημιουργούνται in vitro στο εργαστήριο, τα οποία παρουσιάζουν χαρακτηριστικά και ιδιότητες παρόμοιες με επιθυμητά όργανα. Τα οργανοειδή μπορεί να προέρχονται από ιστούς ή βλαστικά κύτταρα και προσομοιάζουν διάφορα όργανα, όπως ο εγκέφαλος, το στομάχι, το έντερο και πολλά άλλα. Οι ερευνητές πλέον γνωρίζουν πώς να δημιουργήσουν το κατάλληλο περιβάλλον για τα κύτταρα, ώστε αυτά να πολλαπλασιαστούν, να διαφοροποιηθούν σε διάφορους κυτταρικούς τύπους και να δημιουργήσουν δομές που μοιάζουν με μικροσκοπικά όργανα.
Από τους σπόγγους στον ανθρώπινο εγκέφαλο
Ήδη από το 1900 οι ερευνητές επιθυμούσαν να μελετήσουν την οργανογένεση στο εργαστήριο και για τον λόγο αυτόν ξεκίνησαν να καλλιεργούν κομμάτια από ιστούς. Από τους πρωτοπόρους στον τομέα αυτό υπήρξε ο Ross Harrison, ο οποίος θέλησε να μελετήσει τη δημιουργία των νευρικών ινών κατά την εμβρυογένεση. Έτσι το 1906, μαζί με την ερευνητική του ομάδα, χρησιμοποιώντας ένα τμήμα από νευρικό ιστό εμβρύου κατόρθωσε να καλλιεργήσει νευρικές ίνες στο εργαστήριο. Στη συνέχεια, πολλοί ερευνητές χρησιμοποίησαν τη συγκεκριμένη μεθοδολογία για να καλλιεργήσουν διάφορους ιστούς για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Την επόμενη κιόλας χρονιά, ο Henry Van Wilson απέδειξε ότι τα κύτταρα των σπόγγων που έχουν διαχωριστεί το ένα από το άλλο μπορούν να ενωθούν ξανά και να σχηματίσουν λειτουργικές δομές. Έκτοτε η έρευνα προσανατολίστηκε στην προσπάθεια δημιουργίας οργάνων από διαχωρισμένα κύτταρα. Η επιστημονική γνώση σχετικά με την ανάπτυξη και διαφοροποίηση των κυττάρων, εμπλουτίστηκε σημαντικά, ενώ ταυτόχρονα εξελίχθηκε και ο εξοπλισμός των εργαστηρίων. Έτσι μέχρι τη δεκαετία του ’50 οι επιστήμονες είχαν κατορθώσει να καλλιεργήσουν τμήματα από διάφορα όργανα in vitro. Μέχρι το 2000 είχαν ήδη αναπτυχθεί τα τρισδιάστατα συστήματα κυτταροκαλλιεργειών, τα οποία έδωσαν απεριόριστες δυνατότητες για την έρευνα. Λίγα χρόνια μετά, βλαστικά κύτταρα από έμβρυα ανθρώπου και ποντικού χρησιμοποιήθηκαν για να δημιουργηθούν δομές που έμοιαζαν με περιοχές του εγκεφάλου, ενώ ακολούθησε το στομάχι, το έντερο και το συκώτι.
Μελετώντας το πιο πολύπλοκο όργανο: τον ανθρώπινο εγκέφαλο
Η κατανόηση της λειτουργίας του εγκεφάλου και των ασθενειών που σχετίζονται με αυτόν, υπήρξε ανέκαθεν πολύ σημαντική πρόκληση για τους επιστήμονες, λόγω της πολυπλοκότητάς του, αλλά και της δύσκολης πρόσβασης σε λειτουργικούς εγκεφαλικούς ιστούς. Παρά την αξιοσημείωτη πρόοδο των νευροεπιστημών, οι ασθένειες που προσβάλλουν τον εγκέφαλο είναι δύσκολα αντιμετωπίσιμες και έχουν σοβαρό αρνητικό αντίκτυπο στις ζωές των ανθρώπων. Οι παραδοσιακές ερευνητικές προσεγγίσεις (μελέτη ιστών αποθανόντων ασθενών, απεικονιστικές τεχνικές, χρήση ζώων εργαστηρίου κ.ά.) έχουν σημαντικούς περιορισμούς και αδυνατούν να αποδώσουν με ακρίβεια τη δομική και λειτουργική πολυπλοκότητα του εγκεφάλου.
Η δημιουργία μίνι-εγκεφάλων στο εργαστήριο επιχειρήθηκε ήδη από το 2013 από την ερευνητική ομάδα του Jürgen Knoblich, προκειμένου να μελετηθεί η μικροκεφαλία. Έκτοτε οι επιστήμονες κατόρθωσαν να μετατρέψουν σωματικά κύτταρα ενηλίκων σε κύτταρα τα οποία μπορούν, με τη χρήση κατάλληλων ουσιών, να διαφοροποιηθούν σε δομές που προσομοιάζουν τις αντίστοιχες του εγκεφάλου. Τα οργανοειδή του εγκεφάλου συνεχίζουν να ωριμάζουν για αρκετούς μήνες, έχουν διάμετρο αρκετών χιλιοστών και περιέχουν πληθώρα κυτταρικών τύπων. Αποτελούν ένα πολύ σημαντικό εργαλείο για την μελέτη του εγκεφάλου και επιτρέπουν επίσης τη μελέτη της επίδρασης περιβαλλοντικών παραγόντων σε αυτόν, όπως διάφορες χημικές ουσίες ή μικροοργανισμοί. Με τη χρήση οργανοειδών έγινε γνωστός ο τρόπος δράσης του ιού Zika στον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο των εμβρύων γεγονός που άνοιξε νέα μονοπάτια προς την αντιμετώπισή του. Επιπρόσθετα δημιουργήθηκαν οργανοειδή από ασθενείς με διάφορες νευρολογικές και νευροαναπτυξιακές διαταραχές (όπως το Σύνδρομο Rett, η σχιζοφρένεια κ.ά.) ακόμα και από ασθενείς με καρκίνο εγκεφάλου ή με κληρονομική αμφιβληστροειδοπάθεια.
Ένα βήμα πιο κοντά στην εξατομικευμένη θεραπεία
Στην περίπτωση των γενετικών ασθενειών, η χρήση οργανοειδών μπορεί να συντελέσει στο να λαμβάνει ο ασθενής εξατομικευμένη θεραπεία, αποφεύγοντας τη χρήση πολύ ακριβών φαρμάκων τα οποία όμως δεν είναι αποτελεσματικά για τον δικό του οργανισμό και για τη δική του γενετική βλάβη. Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί η Κυστική Ίνωση. Πρόκειται για ένα κληρονομικό νόσημα που προκαλείται από βλάβες στο DNA που δημιουργούν μια ελαττωματική πρωτεΐνη που επηρεάζει τη μεταφορά ουσιών μέσα και έξω από τα κύτταρα. Τα συμπτώματα ξεκινούν από την παιδική ηλικία, αφορούν κυρίως το αναπνευστικό και το γαστρεντερικό σύστημα, ενώ επηρεάζονται και άλλα συστήματα οργάνων.
Ανάλογα με την επίδραση των βλαβών του DNA στη δομή και λειτουργία της πρωτεΐνης έχουν αναπτυχθεί φάρμακα, τα οποία προβλέπεται να αυξήσουν σημαντικά την ποιότητα και το προσδόκιμο ζωής των ασθενών. Σ’ αυτά τα φάρμακα δεν ανταποκρίνονται ασθενείς με πιο σπάνιες γενετικές βλάβες ή με πιο σύνθετους φαινοτύπους. Σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες οργανοειδή που προσομοιάζουν έντερα δημιουργήθηκαν από κύτταρα ασθενών και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δοκιμή φαρμάκων, προκειμένου να χορηγείται στον κάθε ασθενή η καταλληλότερη θεραπεία. Τα οργανοειδή αποτελούν επομένως ένα τεράστιο βήμα προς την παροχή εξατομικευμένης θεραπείας, προσανατολισμένης στα ιδιαίτερα γενετικά χαρακτηριστικά του κάθε ατόμου.
Μόλις 90 χρόνια μετά την έκδοση του «Θαυμαστού Καινούριου Κόσμου» του Αldous Huxley, στο οποίο περιγράφονταν οι τεχνητές μήτρες-φιάλες, η δημιουργία οργάνων στα εργαστήρια φαντάζει πιο εφικτή από ποτέ. Τα οργανοειδή ανοίγουν νέα μονοπάτια στην έρευνα καθώς διευκολύνουν αξιοσημείωτα τη μελέτη των ασθενειών, αλλά και τη δοκιμή φαρμάκων, με στόχο την ασφαλή, αποτελεσματική και εξατομικευμένη θεραπεία.
Ενδεικτική βιβλιογραφία:
1. Simian, M. and M.J. Bissell, Organoids: A historical perspective of thinking in three dimensions. J Cell Biol, 2017. 216(1): p. 31-40.
2. Lancaster, M.A., et al., Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature, 2013. 501: p. 373.
3. Dekkers, J.F., et al., A functional CFTR assay using primary cystic fibrosis intestinal organoids. Nat Med, 2013. 19(7): p. 939-45.
Μαρία Τσίπη
