Ανθρώπινος εγκεφαλικός ιστός που μεταμοσχεύθηκε σε ποντίκια, από τα οποία απουσίαζε ένα βασικό τμήμα του εγκεφάλου, κατάφερε να αναπτυχθεί καταλαμβάνοντας το μεγαλύτερο μέρος του κενού χώρου και να δημιουργήσει συνδέσεις με το νευρικό σύστημα των ζώων.
Αυτό προκύπτει από μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 16 Σεπτεμβρίου στο επιστημονικό περιοδικό Nature και περιγράφει την πιο εκτεταμένη μέχρι σήμερα ενσωμάτωση ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων σε ζώο.
Η πειραματική αυτή μέθοδος ξεπερνά εμπόδια τα οποία επί χρόνια δυσκόλευαν τους επιστήμονες που επιχειρούσαν να μελετήσουν νευροψυχιατρικές παθήσεις χρησιμοποιώντας εγκεφαλικό ιστό αναπτυγμένο στο εργαστήριο.
Τα υβριδικά αυτά ζώα προσφέρουν έναν πρωτόγνωρο τρόπο για τη δοκιμή φαρμάκων και τη μελέτη ασθενειών που σχετίζονται με μη φυσιολογική ανάπτυξη του εγκεφάλου, όπως η εγκεφαλική παράλυση, σύμφωνα με τον Σέργκου Πάσκα, νευροεπιστήμονα στο Πανεπιστήμιο Stanford της Καλιφόρνιας και έναν από τους συγγραφείς της μελέτης.
«Τώρα έχουμε ένα πολύ ισχυρό νέο σύστημα» για να κατανοήσουμε «τι είναι αυτό που καθιστά τον ανθρώπινο εγκέφαλο μοναδικό και ταυτόχρονα μοναδικά ευάλωτο στις ασθένειες», αναφέρει.
Τα ηθικά ζητήματα των ανθρώπινων-ζωικών χιμαιρών
Παρότι η δημιουργία υβριδίων ανθρώπου και ποντικού – ή, ακριβέστερα, χιμαιρών – μπορεί να προκαλεί δυσφορία και να εγείρει ηθικά ερωτήματα, οι ερευνητές που εργάζονται σε αυτό το πεδίο υπογραμμίζουν ότι σε τέτοιου είδους πειράματα λαμβάνονται συγκεκριμένες προφυλάξεις.
Σύμφωνα με τον Πάσκα, η συγκεκριμένη έρευνα πέρασε από εκτεταμένους μηχανισμούς εποπτείας, στους οποίους περιλαμβανόταν και η αξιολόγησή της από ανεξάρτητες επιτροπές βιοηθικής.
Καθοριστική θεωρείται και η χρονική στιγμή κατά την οποία πραγματοποιήθηκε η διαδικασία. Η μεταμόσχευση έγινε μερικές ημέρες μετά τη γέννηση των ποντικιών, δηλαδή αφού είχε ήδη δημιουργηθεί η βασική «καλωδίωση» του εγκεφάλου τους.
Αυτό εξασφαλίζει ότι τα ανθρώπινα κύτταρα δεν μπορούν να αναλάβουν σύνθετες γνωστικές λειτουργίες, εξηγεί η Μάντλιν Λάνκαστερ, αναπτυξιακή νευροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Μάλιστα, οι δοκιμές συμπεριφοράς έδειξαν ότι ο ανθρώπινος ιστός δεν ενίσχυσε τη νοημοσύνη των τρωκτικών.
«Ο στόχος εδώ προφανώς δεν είναι να δημιουργήσουμε ένα υπερ-ευφυές ποντίκι – ούτε άλλωστε θα γινόταν κάτι τέτοιο», σημειώνει.
Σκοπός, όπως εξηγεί, είναι να υπάρχει ανθρώπινος εγκεφαλικός ιστός μέσα σε ένα πραγματικό βιολογικό περιβάλλον, «ώστε να μπορούμε να αρχίσουμε να τον χρησιμοποιούμε για να κατανοήσουμε την ανθρώπινη νευροβιολογία και τις ανθρώπινες νευρολογικές παθήσεις».
Τι αλλάζει με τη μεταμόσχευση
Εδώ και δεκαετίες, οι νευροεπιστήμονες βρίσκονται αντιμέτωποι με ένα θεμελιώδες πρόβλημα: την αδυναμία τους να μελετήσουν ζωντανό ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό.
Τα ανθρώπινα εγκεφαλικά οργανοειδή – συσσωματώματα νευρώνων που αναπτύσσονται από ανθρώπινα βλαστοκύτταρα μέσα στο εργαστήριο – έχουν προσφέρει στους επιστήμονες ένα πολύτιμο «παράθυρο» στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης του νευρικού συστήματος.
Ωστόσο, κατά κανόνα δεν διαθέτουν αιμοφόρα αγγεία, ούτε βρίσκονται μέσα σε ένα σώμα από το οποίο θα μπορούσαν να λαμβάνουν και προς το οποίο θα μπορούσαν να στέλνουν σήματα.
Το 2022, ο Πάσκα και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η μεταμόσχευση ανθρώπινων εγκεφαλικών οργανοειδών σε νεογέννητους αρουραίους επέτρεπε στους νευρώνες αυτών των δομών να ωριμάσουν και να δημιουργήσουν συνδέσεις με αισθητηριακές οδούς.
Δύο χρόνια αργότερα, η ίδια επιστημονική ομάδα χρησιμοποίησε αυτούς τους αρουραίους για να αξιολογήσει την αποτελεσματικότητα φαρμάκων που ονομάζονται αντινοηματικά ολιγονουκλεοτίδια (antisense oligonucleotides) απέναντι στο σύνδρομο Timothy, μια σοβαρή γενετική διαταραχή που συνδέεται με τον αυτισμό και την επιληψία.
Ωστόσο, στα προηγούμενα αυτά μοντέλα υπήρχε ένα σημαντικό εμπόδιο.
Οι επιστήμονες τοποθετούσαν τα ανθρώπινα μοσχεύματα δίπλα στον ήδη υπάρχοντα και ταχύτατα αναπτυσσόμενο εγκεφαλικό ιστό των αρουραίων. Έτσι, όταν οι ανθρώπινοι νευρώνες των οργανοειδών άρχιζαν να αναπτύσσουν προεκτάσεις προκειμένου να δημιουργήσουν συνδέσεις, τα εγκεφαλικά κύτταρα των τρωκτικών είχαν ήδη καταλάβει το μεγαλύτερο μέρος του διαθέσιμου χώρου.
«Αφαίρεσαν» τον ανταγωνισμό για τον διαθέσιμο χώρο
Στη νέα μελέτη, ο Πάσκα και η ομάδα του τροποποίησαν γενετικά ποντίκια έτσι ώστε τα πρόδρομα κύτταρα που φυσιολογικά θα σχημάτιζαν τον εγκεφαλικό φλοιό να μην επιβιώνουν.
Με αυτόν τον τρόπο, ένα μέρος της εγκεφαλικής κοιλότητας των ζώων παρέμενε κενό.
«Για μένα, η πραγματική καινοτομία είναι ακριβώς η εξάλειψη του ανταγωνισμού για τον διαθέσιμο χώρο», αναφέρει η Τζόρτζια Κουαντράτο, αναπτυξιακή νευροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες.
Στον άνθρωπο, ο εγκεφαλικός φλοιός είναι το πτυχωτό εξωτερικό στρώμα του εγκεφάλου που εμπλέκεται σε σύνθετες γνωστικές λειτουργίες και στη μνήμη.
Χωρίς πλέον τον ανταγωνισμό από τα εγκεφαλικά κύτταρα των ποντικιών, τα ανθρώπινα κύτταρα αναπτύχθηκαν εντυπωσιακά.
Μέσα σε διάστημα δύο έως τριών μηνών από τη μεταμόσχευση του ανθρώπινου ιστού, ο όγκος του αυξήθηκε σχεδόν πέντε φορές, καταλαμβάνοντας περισσότερο από το 90% του διαθέσιμου κενού χώρου.
Παράλληλα, τα ανθρώπινα κύτταρα ανέπτυξαν μακριές νευρικές προεκτάσεις, οι οποίες έφτασαν βαθιά μέσα στον νωτιαίο μυελό των ποντικιών.
Εμφανίστηκαν κύτταρα που δεν είχαν αναπτυχθεί ποτέ στο εργαστήριο
Ο ανθρώπινος ιστός διαφοροποιήθηκε σε εξειδικευμένους νευρώνες. Ανάμεσά τους εντοπίστηκαν μεγάλα, επιμήκη κύτταρα που έμοιαζαν με τους λεγόμενους νευρώνες von Economo.
Πρόκειται για έναν ιδιαίτερο τύπο νευρικών κυττάρων που έχει συσχετιστεί με την κοινωνική νόηση στον άνθρωπο και σε ορισμένα άλλα ζώα και ο οποίος, σύμφωνα με τους ερευνητές, δεν είχε εμφανιστεί ποτέ προηγουμένως σε ιστό που αναπτύχθηκε σε εργαστηριακό τρυβλίο.
«Τα κύτταρα αυτά θεωρείται ότι συγκαταλέγονται στα πλέον ευάλωτα στις νευροεκφυλιστικές διαταραχές και ειδικότερα στη μετωποκροταφική άνοια», εξηγεί ο Πάσκα.
Το πείραμα της έλλειψης οξυγόνου
Οι ερευνητές θέλησαν στη συνέχεια να διαπιστώσουν εάν το νέο μοντέλο μπορεί πράγματι να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη ανθρώπινων παθήσεων και όχι απλώς για την παρατήρηση της ανάπτυξης των ανθρώπινων κυττάρων.
Σε ένα από τα πειράματα, τα χιμαιρικά ποντίκια εκτέθηκαν για πέντε ώρες σε περιβάλλον χαμηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο, ώστε να διερευνηθεί πώς αντιδρά ο ανθρώπινος νευρικός ιστός στην υποξία.
Το αποτέλεσμα ήταν ιδιαίτερα ενδιαφέρον: τα ανθρώπινα νευρικά κύτταρα παρουσίασαν σημαντικές βλάβες, σε αντίθεση με όσα παρατηρούνται στα συμβατικά ποντίκια. Η
διαφορετική αυτή ευαισθησία είναι σημαντική επειδή η έλλειψη οξυγόνου στον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο συνδέεται με νευρολογικές βλάβες και αποτελεί έναν από τους μηχανισμούς που ενδιαφέρουν τους ερευνητές της εγκεφαλικής παράλυσης.
Έτσι, το νέο μοντέλο θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να εξετάζουν πώς πραγματικά ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα αντιδρούν σε τραυματισμούς ή δυνητικές θεραπείες μέσα σε έναν ζωντανό οργανισμό, κάτι που είναι εξαιρετικά δύσκολο – και σε πολλές περιπτώσεις αδύνατο – να διερευνηθεί απευθείας στον άνθρωπο.
Περίπου τέσσερα εκατομμύρια ανθρώπινα κύτταρα
Σύμφωνα με την μελέτη αναπτύχθηκαν περίπου 4 εκατομμύρια ανθρώπινα κύτταρα, στη θέση περίπου 14 εκατομμυρίων κυττάρων ποντικού που κανονικά θα υπήρχαν στην περιοχή. Σε όρους όγκου, ο ανθρώπινος ιστός μπορούσε να αποτελεί περίπου το μισό του συνολικού εγκεφάλου, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι τα μισά νευρικά κύτταρα του ζώου ήταν ανθρώπινα.
Τρεις μήνες μετά τη μεταμόσχευση, περισσότερο από το 90% του ιστού του φλοιού στα συγκεκριμένα γενετικά τροποποιημένα ποντίκια ήταν ανθρώπινης προέλευσης. Τα μοσχεύματα είχαν συνδεθεί με την αιμάτωση των ζώων και οι ανθρώπινοι νευρώνες είχαν αρχίσει να ενσωματώνονται στα νευρωνικά κυκλώματα του ξενιστή.
Τι συνέβη στη συμπεριφορά των ποντικιών
Τα γενετικά τροποποιημένα ποντίκια από τα οποία έλειπε μεγάλο μέρος του φλοιού και του ιππόκαμπου μπορούσαν να επιβιώσουν μέχρι την ενηλικίωση. Παρουσίαζαν ορισμένες μετρήσιμες διαφορές, όπως ελαφρώς πιο επιφυλακτικό βάδισμα και μεγαλύτερη δυσκολία να θυμηθούν πρόσφατα εξερευνημένα περιβάλλοντα.
Μετά τη μεταμόσχευση των ανθρώπινων οργανοειδών, οι επιδόσεις των χιμαιρικών ποντικιών σε δοκιμασίες συμπεριφοράς ήταν, σε γενικές γραμμές, παρόμοιες με εκείνες φυσιολογικών ποντικιών αντίστοιχης ηλικίας. Άλλες αναλύσεις κατέγραψαν μικρές βελτιώσεις σε ορισμένες δοκιμασίες μνήμης και κινητικής λειτουργίας, όχι όμως αύξηση της νοημοσύνης ή δημιουργία κάποιας «ανθρώπινης» γνωστικής ικανότητας.
Από κύτταρα του ίδιου του ασθενούς
Τα οργανοειδή μπορούν να δημιουργηθούν από επαναπρογραμματισμένα ανθρώπινα κύτταρα, όπως κύτταρα δέρματος ή αίματος. Επομένως, μπορούν να διατηρούν το γενετικό υπόβαθρο του ανθρώπου από τον οποίο προέρχονται.
Θεωρητικά, αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες να δημιουργούν εγκεφαλικό ιστό που φέρει συγκεκριμένες γενετικές μεταβολές ενός ασθενούς και να παρακολουθούν μέσα σε ζωντανό οργανισμό πώς αυτές επηρεάζουν την ανάπτυξη των νευρώνων και των νευρωνικών κυκλωμάτων.
Η ερευνητική πλατφόρμα προορίζεται μεταξύ άλλων για τη μελέτη αυτισμού, επιληψίας, σχιζοφρένειας, εγκεφαλικής παράλυσης και άλλων νευροαναπτυξιακών ή νευροψυχιατρικών διαταραχών, καθώς και για τη δοκιμή πιθανών θεραπειών.
Τα δύσκολα ερωτήματα της βιοηθικής
Η εξέλιξη, ωστόσο, κάνει ακόμη πιο επιτακτική τη συζήτηση γύρω από τα όρια αυτής της έρευνας.
Όσο περισσότερο ανθρώπινος νευρικός ιστός ενσωματώνεται σε έναν ζωικό εγκέφαλο και όσο πιο σύνθετες γίνονται οι συνδέσεις του, τόσο εντονότερα τίθενται ζητήματα για την ευζωία των πειραματόζωων, την πιθανότητα εμφάνισης απρόβλεπτων χαρακτηριστικών και τα όρια που πρέπει να υπάρχουν στη δημιουργία νευρικών χιμαιρών.
Η συζήτηση δεν ξεκίνησε με το συγκεκριμένο πείραμα.
Μόλις πριν από δύο εβδομάδες δημοσιεύθηκε έκθεση έπειτα από διεθνή συνάντηση επιστημόνων, βιοηθικών και εκπροσώπων της κοινωνίας, η οποία ζητά τη δημιουργία ενός διεθνούς πλαισίου δεοντολογίας και εποπτείας για την έρευνα πάνω στα ανθρώπινα νευρικά οργανοειδή. Το Stanford επισημαίνει ότι, καθώς οι τεχνολογίες αυτές εξελίσσονται, χρειάζονται σαφέστεροι και διεθνώς συντονισμένοι κανόνες.
Η σημασία του πειράματος, επομένως, δεν βρίσκεται στη δημιουργία ενός ζώου με «ανθρώπινο μυαλό», αλλά στη δημιουργία ενός ζωντανού εργαστηρίου ανθρώπινης νευροβιολογίας.
Για πρώτη φορά οι επιστήμονες διαθέτουν ένα σύστημα στο οποίο εκατομμύρια ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα μπορούν να ωριμάσουν, να αιματωθούν, να σχηματίσουν λειτουργικές συνδέσεις και να αντιδράσουν σε τραυματισμούς και πιθανές θεραπείες μέσα σε έναν ζωντανό οργανισμό.
Το μεγάλο στοίχημα είναι εάν αυτή η δυνατότητα θα μεταφραστεί σε καλύτερα μοντέλα ασθενειών και τελικά σε αποτελεσματικότερες θεραπείες για παθήσεις του ανθρώπινου εγκεφάλου. Ταυτόχρονα, όσο τα μοντέλα γίνονται πιο σύνθετα και περισσότερο «ανθρώπινα» σε κυτταρικό επίπεδο, η επιστημονική πρόοδος θα πρέπει να συμβαδίζει με την εξέλιξη των κανόνων βιοηθικής που καθορίζουν μέχρι πού μπορεί – και υπό ποιες προϋποθέσεις – να φτάσει αυτή η έρευνα.
