«Εγκέφαλος» σε... μικροτσίπ, ελπίδα για ασθενείς
Για πρώτη φορά στον κόσμο, Ελληνες επιστήμονες από το Ιδρυμα Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ) και το Πανεπιστήμιο Κρήτης ανέπτυξαν νευρικά δίκτυα με τη χρήση λέιζερ σε μικροτσίπ πυριτίου, στοιχείο που έκανε πάταγο στην διεθνή ερευνητική κοινότητα και δημοσιεύτηκε πριν από λίγο καιρό στο μεγαλύτερο αντίστοιχο επιστημονικό περιοδικό στον κόσμο, το «Biomaterials».
Η συγκλονιστική αυτή ανακάλυψη ανοίγει τον δρόμο για την ολοκληρωμένη αντιμετώπιση σοβαρών και επώδυνων νευροεκφυλιστικών ασθενειών, όπως Αλτσχάιμερ, Πάρκινσον, εγκεφαλικά τραύματα, βλάβες του νωτιαίου μυελού κ.λπ.
Ο ερευνητής του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ, Μανόλης Στρατάκης και ο καθηγητής Ιατρικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και συνεργαζόμενος ερευνητής με το ΙΤΕ, Αχιλλέας Γραβάνης, μιλούν στην «Εφ.Συν.», για το κορυφαίο ερευνητικό επίτευγμα παγκοσμίως, προϊόν συλλογικής δουλειάς πολλών επιστημόνων.
• Κύριε Στρατάκη, ποια είναι ακριβώς η επιστημονική σας εργασία;
Αναπτύξαμε λειτουργικά νευρικά δίκτυα σε μικροτσίπ πυριτίου. Η ανάπτυξη αυτή έγινε σε τρισδιάστατες βιομιμητικές σκαλωσιές-ικριώματα πυριτίου (είναι το υλικό των μικροτσίπ) για την καλλιέργεια νευρώνων και νευρικών βλαστικών κυττάρων, με στόχο την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών προσεγγίσεων των νευροεκφυλιστικών νόσων.
• Πώς έγινε αυτό;
Με τη βοήθεια προηγμένων τεχνικών κατεργασίας με ακτινοβολία λέιζερ, ερευνητές από το ΙΤΕ καταφέραμε να σμιλεύσουμε μικροσκοπικές, τρισδιάστατες βιομιμητικές σκαλωσιές-ικριώματα από κώνους στην επιφάνεια μικροτσίπ πυριτίου, επάνω στις οποίες αναπτύξαμε επιτυχώς δίκτυα διαφόρων τύπων νευρικών κυττάρων.
Εκμεταλλευόμενοι τη μοναδικής ακρίβειας μικροχάραξη με ακτίνες λέιζερ, δημιουργήσαμε τρισδιάστατα μικρο-ικριώματα, ειδικών γεωμετρικών χαρακτηριστικών, που επιτυγχάνουν να ελέγξουν τον προσανατολισμό και την αλληλεπίδραση των νευρώνων και των νευραξόνων ενός νευρωνικού δικτύου.
• Η γεωμετρία παίζει ειδικό ρόλο στα νευρικά κύτταρα;
Η μορφολογία και ιδιαίτερα η κατεύθυνση, ο προσανατολισμός ενός δικτύου νευρικών κυττάρων εξαρτάται, σύμφωνα με τη σχετική μελέτη μας, σε μεγάλο βαθμό από συγκεκριμένα γεωμετρικά μορφολογικά χαρακτηριστικά του υποστρώματος ανάπτυξης και διεπαφής.
Ως γνωστόν, η επικοινωνία μεταξύ των νευρικών κυττάρων πραγματοποιείται μέσω ηλεκτρικών σημάτων, τα οποία μεταφέρονται από τους νευράξονές τους, υπό τη μορφή ενός τύπου βιοηλεκτρικού κυκλώματος.
Μέσω της καλλιέργειας των νευρικών κυττάρων επάνω σ' ένα κατάλληλα διαμορφωμένο υπόστρωμα με τη μορφή μικροτσίπ (neurochip), δίνεται στους ειδικούς η δυνατότητα να καταγράψουν και να χαρακτηρίσουν τα σήματα αυτά, αλλά και να μεταδώσουν προς τα κύτταρα εξωτερικό ηλεκτρικό ερέθισμα.
Αυτές οι τρισδιάστατες μικρο-κατασκευές έχουν τη δυνατότητα να μιμηθούν τις ιστιδικές δομές που υποστηρίζουν τους νευρώνες και τα γλοιακά κύτταρα στον ζώντα εγκέφαλο, με αποτέλεσμα να βοηθούν σημαντικά στη φυσιολογικότερη, δυναμική λειτουργία των νευρώνων.
• Κύριε Γραβάνη, από ιατρική πλευρά ποια είναι η σημασία αυτής της ανακάλυψης;
Απώτερο στόχο της έρευνας αποτελεί η δημιουργία μιας κατάλληλα διαμορφωμένης μικροσυσκευής (Brain-on-Chip), η οποία θα ελέγχει την ανάπτυξη του νευρικού δικτύου και ταυτόχρονα να καταγράφει την απόκρισή του σε εξωτερικά ερεθίσματα.
Βασικός στόχος του ερευνητικού προγράμματος που χρηματοδοτήθηκε κυρίως από το European Research Council (ERC), στο οποίο είμαι επιστημονικός υπεύθυνος, είναι η ανάπτυξη μιας καινοτόμου πλατφόρμας για τη μελέτη της βιολογικής συμπεριφοράς των νευρώνων σε τρισδιάστατες συνθήκες ex vivo, που μιμούνται πιο πιστά τις συνθήκες του ζώντος εγκεφάλου.
• Είναι διαφορετική η μελέτη πειραματικά των νευρώνων σε δύο διαστάσεις από ό,τι σε τρεις;
Πράγματι, η μελέτη της συμπεριφοράς των νευρώνων σε πειραματικές συνθήκες καλλιέργειας σε δύο διαστάσεις παρουσιάζει πολλά προβλήματα, με σημαντικότερο ότι απέχει κατά πολύ από τη συμπεριφορά τους στον ζώντα εγκέφαλο, όπου λειτουργούν σε τρισδιάστατο περιβάλλον.
Οι καλλιέργειες νευρώνων δύο διαστάσεων σε ειδικά τρυβλία έχουν χρησιμοποιηθεί κατά κόρον για την ανακάλυψη νέων φαρμάκων που στοχεύουν ασθένειες του εγκεφάλου. Η αποτελεσματικότητα ενός φαρμάκου στις καλλιέργειες νευρώνων δύο διαστάσεων παρέχει τα πρώτα θετικά δεδομένα, ώστε αυτό να δοκιμαστεί σε ζώντα πειραματόζωα και κατόπιν στον άνθρωπο.
Από την παραπάνω διαδικασία καθίσταται σαφές ότι η ανακάλυψη νέων φαρμάκων απαιτεί πολύ χρόνο και εξαιρετικά πολλά χρήματα, ενώ ένας σημαντικός αριθμός των υποψήφιων φαρμάκων, δραστικών στις καλλιέργειες δύο διαστάσεων, αποτυγχάνει στις κλινικές δοκιμασίες στον άνθρωπο.
Κι αυτό, γιατί οι υπό μελέτη νευρώνες σε καλλιέργειες δύο διαστάσεων σε τρυβλία απαντούν πολλές φορές τελείως διαφορετικά στο υπό μελέτη φάρμακο απ' ό,τι στις συνθήκες της τρισδιάστατης οργάνωσης του ζώντος εγκεφάλου.
• Ποιος είναι ο στόχος σας ιατρικά;
Η έρευνα στοχεύει ακριβώς στην ανάπτυξη ενός νευροαισθητήρα, στον οποίο θα φιλοξενούνται και θα αναπτύσσονται σε τρισδιάστατες συνθήκες, νευρικά βλαστικά κύτταρα και νευρώνες για την ανίχνευση χημικών βιβλιοθηκών για νέες νευροπροστατευτικές και νευροαναγεννητικές ουσίες, με πιθανές θεραπευτικές εφαρμογές στα νευροεκφυλιστικά νοσήματα και το εγκεφαλικό τραύμα.
Επίσης, μελλοντικά, μια τέτοια μικροσυσκευή θα μπορούσε να εξελιχθεί σ' ένα έξυπνο νευροεμφύτευμα σε περιοχές του εγκεφάλου που έχουν υποστεί βλάβες, το οποίο θα προάγει την ελεγχόμενη ανάπτυξη και αναγέννηση υγιούς νευρικού ιστού προς αποκατάσταση της νευροεκφυλιστικής βλάβης.
Η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε μελλοντικά να βοηθήσει στην αντιμετώπιση σοβαρών εκφυλιστικών νόσων, όπως π.χ. αυτές του Πάρκινσον, του Αλτσχάιμερ ή τραυματικές βλάβες του νωτιαίου μυελού.
Ποιοι είναι
Η εν λόγω έρευνα είναι το αποτέλεσμα συνεργασίας των ερευνητικών ομάδων του Εργαστηρίου Μικρο-Νανο Δόμησης με Υπερβραχείς Παλμούς Λέιζερ και της ομάδας Μηχανικής Ιστών και Αναγεννητικής Ιατρικής του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ, του Εργαστηρίου Φαρμακολογίας της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Κρήτης και του Εργαστηρίου Αναγεννητικής Εμβιομηχανικής του Νευρικού Ιστού του ΙΤΕ.
Στην έρευνα συμμετείχε επίσης και η καθηγήτρια Ειρήνη Αθανασσάκη από το Εργαστήριο Ανοσολογίας του Τμήματος Βιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης και ο καθηγητής Κώστας Φωτάκης, πρόεδρος του Διοικητικού Συμβουλίου του ΙΤΕ και μέχρι πρόσφατα αναπληρωτής υπουργός Ερευνας και Καινοτομίας.
πηγή: www.efsyn.gr, Συντάκτης Παναγιώτης Γεωργουδής
