Ένα νέο ηλεκτρονικό σύστημα εμφυτευμάτων μπορεί να βοηθήσει τα εργαστηριακά καλλιεργημένα παγκρεατικά κύτταρα να ωριμάσουν και να λειτουργήσουν σωστά, παρέχοντας ενδεχομένως τη βάση για νέες, κυτταρικές θεραπείες για τον διαβήτη. Η προσέγγιση, που αναπτύχθηκε από ερευνητές της Ιατρικής Σχολής Perelman στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και της Σχολής Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, ενσωματώνει ένα εξαιρετικά λεπτό πλέγμα αγώγιμων συρμάτων στον αναπτυσσόμενο παγκρεατικό ιστό, σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Science.
«Οι λέξεις “βιονικό”, “κυβερνητικό”, “cyborg”, όλες αυτές ισχύουν για τη συσκευή που έχουμε δημιουργήσει», δήλωσε ο Juan Alvarez, Ph.D., επίκουρος καθηγητής Κυτταρικής και Αναπτυξιακής Βιολογίας. Ενώ αυτοί οι όροι μπορεί να ακούγονται φουτουριστικοί, σημείωσε ότι αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιείται ήδη με τη μορφή βαθιάς εγκεφαλικής διέγερσης, η οποία αντιμετωπίζει νευρολογικές παθήσεις.
«Αυτό που κάνουμε είναι σαν βαθιά διέγερση για το πάγκρεας. Όπως ακριβώς οι βηματοδότες βοηθούν την καρδιά να διατηρεί τον ρυθμό, οι ελεγχόμενοι ηλεκτρικοί παλμοί μπορούν να βοηθήσουν τα παγκρεατικά κύτταρα να αναπτυχθούν και να λειτουργήσουν όπως υποτίθεται», είπε.
Τα πλεονεκτήματα ανάπτυξης του εργαστηριακά καλλιεργημένου παγκρεατικού ιστού
Στον διαβήτη τύπου 1, το ανοσοποιητικό σύστημα επιτίθεται κατά λάθος σε συστάδες κυττάρων που εκκρίνουν ορμόνες, που ονομάζονται νησίδια, καταστρέφοντας την ικανότητά τους να παράγουν το σήμα ινσουλίνης που μειώνει το σάκχαρο στο αίμα. Τα Κέντρα Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων (CDC) των ΗΠΑ εκτιμούν ότι το 2021 περίπου δύο εκατομμύρια Αμερικανοί όλων των ηλικιών είχαν αυτή την πάθηση.
Στις πιο σοβαρές περιπτώσεις διαβήτη τύπου 1, και περιστασιακά διαβήτη τύπου 2, οι ασθενείς πρέπει να αντικαταστήσουν τα χαμένα και κατεστραμμένα κύτταρα – είτε με ολόκληρο το πάγκρεας, είτε με τμήματα αυτού, είτε με μόνα τους τα κύτταρα των νησίδων.
Όλες αυτές οι επιλογές είναι συχνά ελλιπείς, αναγκάζοντας τους ασθενείς να περιμένουν ένα χρόνο ή περισσότερο για μεταμόσχευση παγκρέατος ή κυττάρων νησίδων. Μετά τη διαδικασία, πρέπει να λαμβάνουν ανοσοκατασταλτικά φάρμακα όλη τους τη ζωή για να διασφαλίσουν ότι το σώμα τους δεν θα απορρίψει το μόσχευμα. Ωστόσο, ο παγκρεατικός ιστός που καλλιεργείται στο εργαστήριο δεν παρουσιάζει αυτά τα μειονεκτήματα.
Οι ερευνητές στο εργαστήριο του Alvarez συνεργάστηκαν με το εργαστήριο Jia Liu στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ για να εμφυτεύσουν ένα λεπτό, ηλεκτρικά αγώγιμο πλέγμα σε κομμάτια αναπτυσσόμενου παγκρεατικού ιστού, ικανό να ανιχνεύει τα ηλεκτρικά σήματα από τα κύτταρα των νησιδίων.
Στη συνέχεια, εισήγαγαν έναν φυσικό, 24ωρο ρυθμό ηλεκτρικής δραστηριότητας, ωθώντας τα κύτταρα να ωριμάσουν και να ανταποκριθούν σωστά στη ζάχαρη – ξεπερνώντας μια σημαντική πρόκληση για την ανάπτυξη πλήρως λειτουργικού παγκρεατικού ιστού εκτός του σώματος. Τέτοιες εναλλακτικές μεταμοσχεύσεις υπόσχονται να επεκτείνουν δραματικά την παροχή νέου ιστού και, εάν κατασκευαστούν σωστά, να μειώσουν τον κίνδυνο απόρριψης.
Αυτή η προσέγγιση της παρακίνησης ανθρώπινων βλαστοκυττάρων να παράγουν βήτα και άλλα κύτταρα που εκκρίνουν ορμόνες δοκιμάζεται ήδη σε κλινικές δοκιμές. Ωστόσο, μια βασική πρόκληση παρέμεινε: ακόμη και με αυτήν την ηλεκτρική ώθηση, τα κύτταρα που καλλιεργούνται στο εργαστήριο συχνά δεν ωριμάζουν πλήρως και μπορεί να μην απελευθερώνουν ινσουλίνη και άλλες ορμόνες τόσο αξιόπιστα όσο οι φυσικές.
Βάζοντας τα κύτταρα σε ένα χρονοδιάγραμμα
Ο Alvarez και ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Jia Liu, Ph.D., ξεκίνησαν να κατανοούν πώς τα κύτταρα θα μπορούσαν να γίνουν ικανά να εκπληρώσουν το κάλεσμά τους. «Μου αρέσει να το ονομάζω αυτό όταν τα κύτταρα αποκτούν το διδακτορικό τους», είπε ο Alvarez. «Είναι όταν τα κύτταρα σταματούν να είναι αναποφάσιστοι προπτυχιακοί φοιτητές και δεσμεύονται στην επαγγελματική τους πορεία ως κύτταρα παγκρέατος ή νησιδίων».
Το εργαστήριο του Alvarez ειδικεύεται στην ανάπτυξη τρισδιάστατων τεμαχίων παγκρεατικού ιστού που ονομάζονται οργανοειδή, ενώ το εργαστήριο του Liu αναπτύσσει ηλεκτρονικά εμφυτεύματα που μοιάζουν με ιστούς.
Για να δημιουργήσουν τον ιστό cyborg, τοποθέτησαν ένα ελαστικό πλέγμα –λεπτότερο από ένα κομμάτι ανθρώπινης τρίχας– ανάμεσα σε στρώματα κυττάρων, τα οποία στη συνέχεια συγκεντρώθηκαν για να σχηματίσουν νησίδες. Αυτή η διάταξη επέτρεψε στην ομάδα να καταγράψει την ηλεκτρική δραστηριότητα μεμονωμένων νησιδίων κυττάρων για δύο μήνες και να αποκτήσει νέα γνώση για αυτή τη μετάβαση, συμπεριλαμβανομένου του ρόλου των κιρκαδικών ρυθμών.
Σε προηγούμενη έρευνα, το εργαστήριο του Alvarez έδειξε ότι η έκθεση λειτουργικά ανώριμων κυττάρων σε έναν κιρκάδιο ρυθμό –όπως το φυσικό 24ωρο εσωτερικό ρολόι του σώματος που ρυθμίζει τον κύκλο ύπνου-αφύπνισης, την πέψη και άλλα συστήματα– ωθεί τα κύτταρα να αναπτυχθούν πλήρως στους ώριμους, εξειδικευμένους ρόλους τους. Η ομάδα διαπίστωσε ότι μετά από τέσσερις ημέρες, τα κύτταρα συνέχισαν να κυκλώνονται μόνα τους.
Αυτός ο νέος ρυθμός ώθησε τα κύτταρα των νησιδίων να ωριμάσουν, ώστε να εκκρίνουν ορμόνες στις σωστές χρονικές στιγμές. Τα δεδομένα, εν τω μεταξύ, έδειξαν ότι όχι μόνο οι αρχικοί κύκλοι δίδαξαν στα μεμονωμένα κύτταρα νέα ηλεκτρική συμπεριφορά, αλλά φάνηκε να βοηθά τα κύτταρα να αρχίσουν να λειτουργούν συγχρονισμένα μεταξύ τους, σαν μια συντονισμένη ομάδα, είπε ο Alvarez.
Παρακολούθηση του «κυβερνο-» παγκρεατικού ιστού σε πραγματικό χρόνο με τεχνητή νοημοσύνη
Ο Alvarez προβλέπει δύο τρόπους με τους οποίους αυτή η έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει σε εναλλακτικές λύσεις μεταμόσχευσης. Ίσως τα κύτταρα των νησιδίων που έχουν αναπτυχθεί στο εργαστήριο θα μπορούσαν να υποβληθούν σε «ζάπινγκ» για να προετοιμαστούν να εισέλθουν σε έναν ασθενή και στη συνέχεια να αφεθούν μόνα τους για να παράγουν, να αποθηκεύουν και να απελευθερώνουν ινσουλίνη. Ή, ίσως το πλέγμα θα μπορούσε να παραμείνει στη θέση του για να παρακολουθεί και να διεγείρει τα κύτταρα των νησιδίων. Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να διασφαλίσει ότι τα κύτταρα δεν θα υποχωρήσουν και έτσι δεν θα σταματήσουν να ανταποκρίνονται στην ινσουλίνη, όπως μπορεί να συμβεί με το στρες ή την ασθένεια.
Τελικά, η Τεχνητή Νοημοσύνη θα μπορούσε να ελέγχει ένα τέτοιο σύστημα, παρακολουθώντας τα κύτταρα και διεγείροντάς τα όταν χρειάζεται. «Στο μέλλον, θα μπορούσαμε να έχουμε ένα σύστημα που να λειτουργεί χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση», είπε ο Alvarez.
Διαβάστε ακόμα
