Ερευνητές ανέπτυξαν το πρώτο ανθρώπινο μοντέλο «πνεύμονας-σε-τσιπ» βασισμένο αποκλειστικά από βλαστοκύτταρα ενός και μόνο δότη. Η καινοτόμος αυτή τεχνολογία προσομοιώνει με ακρίβεια την αναπνοή και την εξέλιξη πνευμονικών νόσων, ανοίγοντας τον δρόμο για πιο ρεαλιστικές δοκιμές θεραπειών σε λοιμώξεις όπως η φυματίωση και για πιο εξατομικευμένες ιατρικές προσεγγίσεις.
Το τσιπ λειτουργεί σαν πνευμονικός ιστός. Επειδή αυτά τα τσιπ μπορούν στην πραγματικότητα να κινούνται όπως και ο ανθρώπινος πνεύμονας, οι ερευνητές μπορούν να τα χρησιμοποιήσουν για να δουν πώς το σώμα ενός συγκεκριμένου ατόμου καταπολεμά τη φυματίωση, διευκολύνοντας την εύρεση της κατάλληλης θεραπείας για τον συγκεκριμένο ασθενή.
«Δεδομένης της αυξανόμενης ανάγκης για τεχνολογίες που δεν βασίζονται σε πειράματα ζώα, οι προσεγγίσεις ‘όργανο σε τσιπ’ καθίστανται ολοένα και πιο σημαντικές για την αναδημιουργία ανθρώπινων συστημάτων, αποφεύγοντας τις διαφορές στην ανατομία των πνευμόνων, τη σύνθεση των ανοσοκυττάρων και την ανάπτυξη ασθενειών μεταξύ ζώων και ανθρώπων», δήλωσε ο Μαξ Γκουτιέρεζ, επικεφαλής ομάδας του Εργαστηρίου Αλληλεπιδράσεων Ξενιστή-Παθογόνου στη Φυματίωση στο Ινστιτούτο Francis Crick στο Λονδίνο και κύριος συγγραφέας της μελέτης, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό ScienceAdvances.
Η σημασία των γενετικά πανομοιότυπων κυττάρων
Για να κατανοήσουν σε βάθος τον τρόπο με τον οποίο το ανθρώπινο σώμα αντιμετωπίζει αναπνευστικές ασθένειες όπως η γρίπη και η φυματίωση, οι επιστήμονες ανέπτυξαν την τεχνολογία «πνεύμονας-σε-τσιπ» — μικροσκοπικές, πλαστικές μονάδες που αναπαράγουν τις πνευμονικές κυψελίδες, τον καίριο χώρο όπου πραγματοποιείται η ανταλλαγή αερίων και όπου εγκαθίστανται οι λοιμώξεις. Μέχρι σήμερα, τα μοντέλα αυτά περιορίζονταν από τη χρήση ενός «αταίριαστου» συνδυασμού κυττάρων από διαφορετικές πηγές, γεγονός που δεν επέτρεπε την ακριβή αναπαράσταση της βιολογίας ενός και μόνο ατόμου. Κάτι που μέχρι πρόσφατα ήταν αδύνατο, καθίσταται πλέον εφικτό, καθώς η χρήση τσιπ κατασκευασμένων αποκλειστικά από το γενετικό υλικό ενός ατόμου επιτρέπει στους ερευνητές να παρακολουθούν με ακρίβεια τη μοναδική «μάχη» μεταξύ ανθρώπινων κυττάρων και βακτηρίων.
Η συγκεκριμένη καινοτομία βασίζεται στη χρήση επαγόμενων πολυδύναμων βλαστοκυττάρων (iPSCs), τα οποία επιτρέπουν τη δημιουργία ενός μικροσκοπικού οικοσυστήματος με γενετικά πανομοιότυπα κύτταρα.
«Αποτελούμενα εξ ολοκλήρου από γενετικά πανομοιότυπα κύτταρα, τα τσιπ μπορούν να κατασκευαστούν από βλαστοκύτταρα ατόμων με συγκεκριμένες γενετικές μεταλλάξεις. Αυτό θα μας επέτρεπε να κατανοήσουμε πώς λοιμώξεις όπως η φυματίωση επηρεάζουν κάθε άτομο ξεχωριστά και να δοκιμάσουμε την αποτελεσματικότητα θεραπειών, όπως τα αντιβιοτικά», πρόσθεσε ο Γκουτιέρεζ.
Για να προσομοιώσει τη ζωτική λειτουργία της αναπνοής, το σύστημα της ελβετικής εταιρείας AlveoliX εφαρμόζει ρυθμική, τρισδιάστατη διάταση, τραβώντας και πιέζοντας τον ιστό ώστε να μιμείται τη διαστολή της ανθρώπινης αναπνοής. Η μηχανική αυτή καταπόνηση είναι κρίσιμη. Χωρίς αυτήν, τα κύτταρα δεν αναπτύσσουν τις μικροσκοπικές δομές — τις λεγόμενες μικρολάχνες — που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία των πνευμόνων. Για την προσομοίωση της λοίμωξης, οι ερευνητές «εφοδίασαν» το τσιπ με ανοσοκύτταρα (μακροφάγα) που προέρχονταν από τον ίδιο δότη και στη συνέχεια εισήγαγαν βακτήρια φυματίωσης. Έτσι, μπόρεσαν να παρατηρήσουν τα πρώτα στάδια της νόσου μέσα σε ένα ενιαίο και γενετικά συνεπές περιβάλλον.
Προσομοίωση της εξέλιξης της φυματίωσης
Η φυματίωση αποτελεί εφιάλτη για τους ασθενείς λόγω της ύπουλης φύσης της. Εξελίσσεται αργά και μπορεί να περάσουν μήνες από την πρώτη εισπνοή των βακτηρίων έως την εμφάνιση του πρώτου βήχα. Με την προσθήκη των ίδιων των ανοσοκυττάρων του δότη στο τσιπ, η ερευνητική ομάδα μπόρεσε να παρακολουθήσει την «μάχη» να εξελίσσεται σε πραγματικό χρόνο. Οι επιστήμονες παρατήρησαν τον σχηματισμό νεκρών ανοσοκυττάρων πέντε ημέρες πριν καταρρεύσει πλήρως ο φραγμός των πνευμονικών κυψελίδων.
«Η φυματίωση είναι μια νόσος που εξελίσσεται αργά, με μήνες να μεσολαβούν ανάμεσα στη μόλυνση και την εμφάνιση συμπτωμάτων. Γι’ αυτό υπάρχει ολοένα και μεγαλύτερη ανάγκη να κατανοήσουμε τι συμβαίνει στα αθέατα, πρώιμα στάδια», δήλωσε ο Τζάκσον Λουκ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Εργαστήριο Αλληλεπιδράσεων Ξενιστή-Παθογόνου στη Φυματίωση και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Η τεχνολογία αυτή προσφέρει μια εναλλακτική λύση στα ηθικά και ανατομικά όρια των πειραμάτων σε ζώα. Τα ποντίκια, για παράδειγμα, δεν αναπνέουν όπως οι άνθρωποι και το ανοσοποιητικό τους σύστημα δεν ανταποκρίνεται στη φυματίωση με τον ίδιο τρόπο όπως το ανθρώπινο.
Παρότι το παρόν μοντέλο επικεντρώνεται στη φυματίωση, η ερευνητική ομάδα κοιτά ήδη προς το μέλλον. Η γρίπη, ο κορονοϊός και ακόμη και ο καρκίνος του πνεύμονα, θα μπορούσαν να αποτελέσουν τους επόμενους στόχους αυτής της πρωτοποριακής έρευνας.
