Οι ερευνητές του ETH έχουν αναπτύξει έναν νέο διακόπτη γονιδίων που μπορεί να ενεργοποιηθεί χρησιμοποιώντας ένα εμπορικά διαθέσιμο έμπλαστρο νιτρογλυκερίνης που εφαρμόζεται στο δέρμα. Μια μέρα, οι ερευνητές θέλουν να χρησιμοποιήσουν διακόπτες αυτού του είδους για να ενεργοποιήσουν κυτταρικές θεραπείες για διάφορες μεταβολικές ασθένειες.
Το σώμα ρυθμίζει τον μεταβολισμό του με ακρίβεια και συνεχή, με εξειδικευμένα κύτταρα στο πάγκρεας να παρακολουθούν συνεχώς την ποσότητα του σακχάρου στο αίμα, για παράδειγμα. Όταν αυτό το επίπεδο σακχάρου στο αίμα αυξάνεται μετά από ένα γεύμα, το σώμα θέτει σε κίνηση έναν καταρράκτη σημάτων προκειμένου να το επαναφέρει κάτω.
Σε άτομα που πάσχουν από διαβήτη, αυτός ο ρυθμιστικός μηχανισμός δεν λειτουργεί πλέον ακριβώς όπως θα έπρεπε. Οι πάσχοντες επομένως έχουν πάρα πολύ σάκχαρο στο αίμα τους και πρέπει να μετρήσουν το επίπεδο σακχάρου στο αίμα τους και να κάνουν ένεση ινσουλίνης στον εαυτό τους για να το ρυθμίσουν. Αυτή είναι μια σχετικά ανακριβής προσέγγιση σε σύγκριση με τον μηχανισμό του ίδιου του σώματος.
Εξοπλισμός κυψελών με ειδικές λειτουργίες
Ο Martin Fussenegger είναι καθηγητής Βιοτεχνολογίας και Βιομηχανικής στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Βιοσυστημάτων του ETH Zurich στη Βασιλεία. Έχοντας κατά νου την παραπάνω κατάσταση, ο ίδιος και η ομάδα του εργάζονται σε κυτταρικές θεραπείες εδώ και αρκετό καιρό. Κάποτε, η ελπίδα είναι ότι αυτές οι θεραπείες θα επιτρέψουν σε μεταβολικές ασθένειες όπως ο διαβήτης να αντιμετωπιστούν μεμονωμένα και με ακρίβεια – ή ακόμη και να θεραπευτούν.
Πώς όμως λειτουργούν αυτές οι κυτταρικές θεραπείες; Πρώτον, οι ερευνητές τροποποιούν τα ανθρώπινα κύτταρα ενσωματώνοντας ένα δίκτυο γονιδίων που δίνουν στα κύτταρα ειδικές ικανότητες. Αυτά τα κύτταρα εμφυτεύονται κάτω από το δέρμα, για παράδειγμα, και το δίκτυο ενεργοποιείται από ένα συγκεκριμένο εξωτερικό ερέθισμα.
Ένας κατάλληλος διακόπτης είναι το κλειδί
Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει διάφορους τύπους διακοπτών τα τελευταία χρόνια. Μερικά μπορούν να ελεγχθούν ηλεκτρικά, άλλα με φως, και ένα ακόμη και χρησιμοποιώντας μουσική από το βρετανικό ροκ συγκρότημα Queen.
Οι ερευνητές στη Βασιλεία έχουν τώρα αναπτύξει μια άλλη παραλλαγή, την οποία δημοσίευσαν στο περιοδικό Nature Biomedical Engineering.
«Για μένα, αυτή η λύση είναι ο καλύτερος γονιδιακός διακόπτης που έχουμε δημιουργήσει η ομάδα μου και εγώ μέχρι στιγμής», λέει ο Fussenegger. Ο λόγος είναι ότι ο διακόπτης μπορεί να ενεργοποιηθεί χρησιμοποιώντας το μακροχρόνιο ενεργό συστατικό νιτρογλυκερίνη και ότι ο τρόπος εφαρμογής –το να κολλήσετε ένα έμπλαστρο στο δέρμα– είναι πολύ απλό. Αντίστοιχα επιθέματα είναι ήδη διαθέσιμα για αγορά σε διάφορα μεγέθη σε οποιοδήποτε φαρμακείο.
Η νιτρογλυκερίνη διαχέεται γρήγορα έξω από το έμπλαστρο και στο δέρμα, όπου συναντά ένα εμφύτευμα που περιέχει τροποποιημένα ανθρώπινα νεφρικά κύτταρα.
Δίκτυο που ενεργοποιείται από μονοξείδιο του αζώτου
Αυτά τα κύτταρα παρεμποδίζουν ειδικά τη νιτρογλυκερίνη και έχουν ένα ενσωματωμένο ένζυμο που τη μετατρέπει σε μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ), ένα φυσικό μόριο σηματοδότησης. Στο σώμα, το ΝΟ προκαλεί κανονικά διαστολή των αιμοφόρων αγγείων, οδηγώντας σε αυξημένη ροή αίματος. Διασπάται μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα και επομένως επηρεάζει μόνο μια πολύ εντοπισμένη περιοχή.
Τα εμφυτευμένα κύτταρα τροποποιούνται έτσι ώστε το ΝΟ να ενεργοποιεί την παραγωγή και την απελευθέρωση του χημικού αγγελιοφόρου GLP-1, ο οποίος με τη σειρά του ενισχύει την απελευθέρωση ινσουλίνης από τα βήτα κύτταρα του παγκρέατος και έτσι ρυθμίζει τα επίπεδα σακχάρου στο αίμα. Το GLP-1 προκαλεί επίσης ένα αίσθημα κορεσμού, μειώνοντας έτσι την πρόσληψη τροφής.
Ο νέος διακόπτης αποτελείται αποκλειστικά από ανθρώπινα συστατικά – δηλαδή, δεν περιέχει στοιχεία από άλλα είδη. «Αυτό είναι ένα νέο και πρωτοποριακό χαρακτηριστικό», επισημαίνει ο Fussenegger. Με συστατικά από άλλα είδη, υπάρχει πάντα κίνδυνος λανθασμένης ενεργοποίησης, παρεμβολής στις διαδικασίες του ίδιου του σώματος ή ανοσολογικών αντιδράσεων. «Εδώ, μπορούμε να το αποκλείσουμε».
Ένα ολόκληρο οπλοστάσιο διακοπτών
Τα τελευταία 20 χρόνια, ο καθηγητής ETH έχει αναπτύξει διάφορους διαφορετικούς διακόπτες γονιδίων, μερικοί από τους οποίους ανταποκρίνονται σε φυσικούς ερεθισμούς όπως ρεύμα, ηχητικά κύματα ή φως. Ποιος τύπος έχει τις περισσότερες πιθανότητες να εφαρμοστεί μια μέρα;
«Οι φυσικοί ερεθισμοί είναι ενδιαφέροντες γιατί δεν χρειάζεται να χρησιμοποιούμε μόρια που παρεμβαίνουν στις διαδικασίες του ίδιου του σώματος», εξηγεί ο βιοτεχνολόγος. Εξηγεί ότι τα ηλεκτρικά σήματα είναι ιδανικά για τον έλεγχο των διακοπτών και των δικτύων γονιδίων χρησιμοποιώντας φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, όπως smartphone ή smartwatches – και στη συνέχεια μπορεί να ενσωματωθεί και η τεχνητή νοημοσύνη.
«Ως εκ τούτου, πιστεύω ότι οι ηλεκτρογενετικές κυτταρικές θεραπείες έχουν τις καλύτερες πιθανότητες εφαρμογής. Όσον αφορά τους χημικούς διακόπτες, θεωρώ ότι η νέα λύση βρίσκεται σε pole position», καταλήγει ο Fussenegger.
Ωστόσο, η περαιτέρω ανάπτυξη αυτών των κυτταρικών θεραπειών που βασίζονται σε γονιδιακούς διακόπτες είναι μια πολύπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία. «Η ανάπτυξη μιας κυτταρικής θεραπείας μέχρι την ωριμότητα της αγοράς όχι μόνο απαιτεί δεκαετίες, αλλά απαιτεί επίσης πολύ προσωπικό και επαρκείς πόρους», λέει ο ερευνητής. «Δεν υπάρχει συντόμευση».
Μέχρι τώρα, το έργο του Fussenegger εστιαζόταν κυρίως σε κυτταρικές θεραπείες για τον διαβήτη, ο οποίος είναι μια από τις πιο διαδεδομένες μεταβολικές ασθένειες στον κόσμο, που επηρεάζει 1 στα 10 άτομα. «Αυτή είναι η νόσος πρότυπο με την οποία εργαζόμαστε. Βασικά, ωστόσο, είναι επίσης δυνατό να αναπτυχθούν κυτταρικές θεραπείες για άλλες μεταβολικές, αυτοάνοσες ή ακόμα και νευροεκφυλιστικές ασθένειες – κατ’ αρχήν, για οτιδήποτε απαιτεί δυναμική ρύθμιση».
Σύμφωνα με τον Fussenegger, πολλά φάρμακα είναι σαν ένα σφυρί που χρησιμοποιείται για να χτυπήσει στα τυφλά ένα πρόβλημα. «Οι κυτταρικές θεραπείες, από την άλλη, λύνουν το πρόβλημα με παρόμοιο τρόπο με τον οργανισμό», τονίζει.
