Τι θα γινόταν αν οι επιστήμονες μπορούσαν να καλλιεργήσουν μικροσκοπικές εκδοχές του ανθρώπινου εγκεφάλου, όχι μόνο για να τις παρατηρούν, αλλά και για να αποκαλύπτουν πώς ξεκινούν διαταραχές όπως ο αυτισμός ή η σχιζοφρένεια;

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins ( JHU ) ανέπτυξαν αυτούς τους «μίνι εγκεφάλους», μια σημαντική ανακάλυψη στη μοντελοποίηση του εγκεφάλου που θα μπορούσε να αποκαλύψει την προέλευση των νευρολογικών ασθενειών, όπως ο αυτισμός

Μιμούμενοι τις περιοχές και τα αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου, οι επιστήμονες ελπίζουν να βελτιώσουν την κατανόησή τους για το πώς αναπτύσσονται αυτές οι νευρολογικές παθήσεις.

«Έχουμε δημιουργήσει την επόμενη γενιά οργανοειδών εγκεφάλου», δήλωσε η επικεφαλής συγγραφέας Άνι Καθούρια , επίκουρη καθηγήτρια στο Τμήμα Βιοϊατρικής Μηχανικής του JHU , η οποία μελετά την ανάπτυξη του εγκεφάλου και τις νευροψυχιατρικές διαταραχές. «Τα περισσότερα οργανοειδή εγκεφάλου που βλέπετε σε εργασίες είναι μία περιοχή του εγκεφάλου, όπως ο φλοιός ή ο οπίσθιος ή μεσεγκέφαλος. Έχουμε αναπτύξει ένα στοιχειώδες οργανοειδές ολόκληρου του εγκεφάλου. Το ονομάζουμε οργανοειδές εγκεφάλου πολλαπλών περιοχών (MRBO)».

Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε αυτόν τον μήνα στο Advanced Science , σηματοδοτεί μια από τις πρώτες φορές που οι επιστήμονες μπόρεσαν να δημιουργήσουν ένα οργανοειδές με ιστούς από κάθε περιοχή του εγκεφάλου συνδεδεμένους και ενεργώντας από κοινού. Η ύπαρξη ενός μοντέλου του εγκεφάλου που βασίζεται σε ανθρώπινα κύτταρα θα ανοίξει δυνατότητες για τη μελέτη της σχιζοφρένειας, του αυτισμού και άλλων νευρολογικών ασθενειών που επηρεάζουν ολόκληρο τον εγκέφαλο – εργασία που συνήθως διεξάγεται σε ζωικά μοντέλα.

Για να δημιουργήσουν ένα οργανοειδές ολόκληρου του εγκεφάλου, η Kathuria και τα μέλη της ομάδας της καλλιέργησαν αρχικά νευρικά κύτταρα από τις ξεχωριστές περιοχές του εγκεφάλου και στοιχειώδεις μορφές αιμοφόρων αγγείων. Στη συνέχεια, οι ερευνητές κόλλησαν τα μεμονωμένα μέρη μεταξύ τους με κολλώδεις πρωτεΐνες που λειτουργούν ως βιολογική υπερκόλλα και επέτρεψαν στους ιστούς να σχηματίσουν συνδέσεις. Καθώς οι ιστοί άρχισαν να αναπτύσσονται μαζί, άρχισαν να παράγουν ηλεκτρική δραστηριότητα και να αντιδρούν ως δίκτυο.

Το μίνι οργανοειδές εγκεφάλου με τις πολλές περιοχές διατήρησε ένα ευρύ φάσμα τύπων νευρωνικών κυττάρων, με χαρακτηριστικά που μοιάζουν με εγκέφαλο σε ανθρώπινο έμβρυο 40 ημερών. Περίπου το 80% του εύρους των τύπων κυττάρων που παρατηρούνται κανονικά στα πρώιμα στάδια ανάπτυξης του ανθρώπινου εγκεφάλου εκφράστηκε εξίσου στους μικροσκοπικούς εγκεφάλους που είχαν κατασκευαστεί στο εργαστήριο. Πολύ μικρότερα σε σύγκριση με έναν πραγματικό εγκέφαλο – με βάρος 6 εκατομμύρια έως 7 εκατομμύρια νευρώνες σε σύγκριση με δεκάδες δισεκατομμύρια σε εγκεφάλους ενηλίκων – αυτά τα οργανοειδή παρέχουν μια μοναδική πλατφόρμα για τη μελέτη της ανάπτυξης ολόκληρου του εγκεφάλου.

Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης τη δημιουργία ενός πρώιμου σχηματισμού αιματοεγκεφαλικού φραγμού, ενός στρώματος κυττάρων που περιβάλλει τον εγκέφαλο και ελέγχει ποια μόρια μπορούν να περάσουν.

«Πρέπει να μελετήσουμε μοντέλα με ανθρώπινα κύτταρα αν θέλουμε να κατανοήσουμε τις νευροαναπτυξιακές διαταραχές ή τις νευροψυχιατρικές διαταραχές, αλλά δεν μπορώ να ζητήσω από κάποιον να με αφήσει να ρίξω μια ματιά στον εγκέφαλό του μόνο και μόνο για να μελετήσω τον αυτισμό», είπε η Καθουρία. «Τα οργανοειδή ολόκληρου του εγκεφάλου μας επιτρέπουν να παρακολουθούμε την ανάπτυξη των διαταραχών σε πραγματικό χρόνο, να βλέπουμε αν οι θεραπείες λειτουργούν, ακόμη και να προσαρμόζουμε τις θεραπείες σε μεμονωμένους ασθενείς».

Η χρήση οργανοειδών ολόκληρου του εγκεφάλου για τη δοκιμή πειραματικών φαρμάκων μπορεί επίσης να βοηθήσει στη βελτίωση του ποσοστού επιτυχίας των κλινικών δοκιμών, ανέφεραν οι ερευνητές. Περίπου το 85% έως 90% των φαρμάκων αποτυγχάνουν κατά τη διάρκεια των κλινικών δοκιμών Φάσης 1. Για τα νευροψυχιατρικά φάρμακα, το ποσοστό αποτυχίας είναι πιο κοντά στο 96%. Αυτό συμβαίνει επειδή οι επιστήμονες μελετούν κυρίως ζωικά μοντέλα κατά τα πρώιμα στάδια ανάπτυξης φαρμάκων. Τα οργανοειδή ολόκληρου του εγκεφάλου μοιάζουν περισσότερο με τη φυσική ανάπτυξη ενός ανθρώπινου εγκεφάλου και πιθανότατα θα αποτελέσουν καλύτερα υποκείμενα δοκιμών.

«Ασθένειες όπως η σχιζοφρένεια, ο αυτισμός και η νόσος Αλτσχάιμερ επηρεάζουν ολόκληρο τον εγκέφαλο, όχι μόνο ένα μέρος του. Αν μπορέσουμε να κατανοήσουμε τι πάει στραβά νωρίς στην ανάπτυξη, ίσως μπορέσουμε να βρούμε νέους στόχους για τον έλεγχο φαρμάκων», δήλωσε η Καθουρία. «Μπορούμε να δοκιμάσουμε νέα φάρμακα ή θεραπείες στα οργανοειδή και να προσδιορίσουμε αν έχουν πράγματι αντίκτυπο στα οργανοειδή».