Η δήλωση αποστολής στην αρχική σελίδα του εργαστηρίου του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ Sergiu Paşca είναι ταυτόχρονα απλό και θεαματικά φιλόδοξο. Η ομάδα του «επιδιώκει να κατανοήσει τους κανόνες που διέπουν τα μοριακά και κυτταρικά βήματα που βρίσκονται κάτω από τη συναρμολόγηση του ανθρώπινου νευρικού συστήματος και τους μοριακούς μηχανισμούς που οδηγούν σε νευρολογικές και ψυχιατρικές ασθένειες».
Η διαδρομή που επέλεξε η Paşca προς αυτόν τον στόχο χρησιμοποιεί μια προηγμένη μορφή τεχνολογίας βλαστοκυττάρων. Πρώτον, επαναπρογραμματίζει γενετικά κύτταρα δέρματος από αυτιστικά άτομα και ασθενείς με διαταραχές όπως η σχιζοφρένεια ώστε να γίνουν ευέλικτα βλαστοκύτταρα. στη συνέχεια προκαλεί τα κύτταρα να εγκατασταθούν σε μια πιο καθορισμένη κατάσταση ως νευρικός ιστός σε ένα εργαστηριακό πιάτο. Παρατηρώντας πώς λειτουργούν ή δυσλειτουργούν αυτά τα κύτταρα, ο Paşca, καθηγητής ψυχιατρικής και συμπεριφορικών επιστημών στο Στάνφορντ και διευθυντής στο Ινστιτούτο Νευροεπιστημών Wu Tsai, αποκτά γνώσεις για το τι κάνει διαφορετικό τον εγκέφαλο των ατόμων με νευρολογικές παθήσεις.
Στην ώθησή του να κάνει αυτά τα μοντέλα συστημάτων πιο αληθινά στη ζωή, έχει κάνει φαινομενικά φανταστικές επιστημονικές καινοτομίες. Στο εργαστήριό του στο Palo Alto, ο Paşca δημιούργησε μικροσκοπικούς σφαιρικούς ιστούς, ή οργανοειδή, που μοιάζουν με διάφορες περιοχές του ανθρώπινου εγκεφάλου. Αυτός και οι συνάδελφοί του έχουν συνδέσει οργανοειδή του εγκεφάλου, του νωτιαίου μυελού και του μυϊκού ιστού σε «συναρμολογοειδή» που μπορούν να συσπαστούν κατόπιν εντολής.
Και σε νέες εργασίες μόλις ανακοινώθηκε σήμερα, η ομάδα του Paşca έδειξε ότι τα ανθρώπινα οργανοειδή που εισάγονται στον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο ενός νεαρού αρουραίου μπορούν αυθόρμητα να εξαπλωθούν και να ενσωματωθούν στο νευρικό κύκλωμα του ζώου - ένα αποτέλεσμα που δείχνει τον δρόμο προς ερευνητικά μοντέλα του ανθρώπινου εγκεφάλου που είναι ολοένα και περισσότερα ζωντανό αλλά πρακτικό και ηθικό στην εργασία.
Όταν το Ίδρυμα Vilcek της Νέας Υόρκης απένειμε στον Paşca το Βραβείο Δημιουργικής Υπόσχεσης στη Βιοϊατρική Επιστήμη το 2018, το έκαναν επειδή «η προσπάθειά του οδήγησε σε ένα αποθετήριο εγκεφαλικών καλλιεργειών που προέρχονται από ασθενείς που είναι από τα πιο ρεαλιστικά μοντέλα ανάπτυξης εγκεφάλου που είναι διαθέσιμα στους ερευνητές σήμερα. .»
Σύμφωνα με τον μεταδιδακτορικό του σύμβουλο, Ρικάρντο Ντόλμετς, πρόεδρος της έρευνας και ανάπτυξης της εταιρείας γονιδιακής θεραπείας uniQure: «Η δουλειά του Sergiu αυξάνει την πιθανότητα ότι μια μέρα θα μπορέσουμε να μεταμοσχεύσουμε κύτταρα εγκεφάλου που λείπουν σε άτομα με ασθένειες ή να αναπτύξουμε εργαστηριακά μοντέλα νευρολογικών ή ψυχιατρικών ασθενειών που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για αναπτύξουν φάρμακα».
Μιλήσαμε με τον Paşca το περασμένο καλοκαίρι μέσω Zoom και τηλεφώνου. Οι συνεντεύξεις έχουν συμπυκνωθεί και επιμεληθεί για λόγους σαφήνειας.
Πάντα ήθελες να κάνεις επιστημονική έρευνα;
Από μικρή ηλικία. Ναί.
Μεγάλωσα στη Ρουμανία, σε μια μικρή πόλη στην Τρανσυλβανία. Από παιδί έφτιαξα ένα εργαστήριο στο υπόγειο του σπιτιού της οικογένειάς μου. Θα προσπαθούσα να βελτιώσω την ανάπτυξη των φυτών προσθέτοντας διαφορετικές χημικές ουσίες στο έδαφος και στη συνέχεια μετρώντας την επίδρασή τους. Κάποτε πρόσθεσα ένα μόριο με βάση τον χαλκό. Αυτό έκανε ένα από τα φυτά μου να αυξηθεί κατά 20%. Αυτό με καθήλωσε στην έρευνα.
Και σήμερα αναπτύσσετε νευρικά κύτταρα σε ένα εργαστήριο. Πώς προέκυψε αυτό;
[Γέλια.] Είναι μια μεγάλη ιστορία. Παρακολούθησα το σχολείο τα χρόνια μετά την ανατροπή της δικτατορίας Τσαουσέσκου. Εκείνη την εποχή, η Ρουμανία υπέφερε από τις μακροπρόθεσμες επιπτώσεις της δικτατορίας - απομόνωση, υπανάπτυξη. Στο τέλος του γυμνασίου κέρδισα ένα βραβείο σε πανελλήνιο διαγωνισμό στη χημεία. Το βραβείο ήρθε με την εισαγωγή σε οποιοδήποτε πανεπιστήμιο της Ρουμανίας. Διάλεξα το Ιατρικό Πανεπιστήμιο Iuliu Haţieganu στο Cluj-Napoca. Η ιδέα ήταν να γίνω γιατρός-ερευνητής. Τότε νόμιζα, και αισθάνομαι ακόμα, ότι ο κόσμος χρειάζεται περισσότερα από αυτά.
Δυστυχώς, μια φορά στην ιατρική σχολή, ανακάλυψα ότι υπήρχαν λίγοι πόροι: καμία επιχορήγηση, κανένα αντιδραστήριο για εργαστηριακή εργασία. Αλλά είχα μια πολύ αφοσιωμένη καθηγήτρια και χρησιμοποίησε 200 ευρώ από τα δικά της χρήματα —μια περιουσία τότε— για να παραγγείλει ένα μικρό κιτ αντιδραστηρίων από τη Γερμανία. Στη συνέχεια σχεδιάσαμε για ένα χρόνο πώς να το χρησιμοποιήσουμε καλύτερα.
Και κάπως έτσι προέκυψε για πρώτη φορά η μελέτη των διαταραχών του εγκεφάλου. Σκεφτόμουν να χρησιμοποιήσω αυτό το κιτ αντιδραστηρίων για να ελέγξω για μεταβολίτες στο αίμα ασθενών με καρδιαγγειακή νόσο. Αλλά για να μάθω οτιδήποτε, θα χρειαζόταν να δοκιμάσω εκατοντάδες, ίσως και χιλιάδες ασθενείς. Είχαμε μόνο αρκετά αντιδραστήρια για 50 αντιδράσεις!
Μια μέρα, ενώ ήμουν σε ένα μάθημα στατιστικής, με χτύπησε: Ο μόνος τρόπος για να κάνω μια μελέτη με μια μικρή ομάδα ασθενών θα ήταν να εξετάσω μια ασθένεια που ήταν σπάνια. Σκέφτηκα: αυτισμός.
Αυτισμός? Δεν είναι τόσο σπάνιο – ένας στους 50 έχει κάποια μορφή του.
Δεν το ξέραμε πριν από 20 χρόνια.
Η ιδέα μου ήταν να δω αν θα μπορούσαμε να βρούμε υπογραφές της πάθησης στο αίμα των παιδιών με αυτισμό. Για να κάνω τη μελέτη, έπρεπε να πείσω τους γονείς να δώσουν μικρές ποσότητες αίματος των παιδιών τους. Η συζήτηση μαζί τους ήταν απογοητευτική. Μου άνοιξε τα μάτια για την τεράστια ταλαιπωρία που πέρασαν οι οικογένειες. Οι γονείς αναρωτήθηκαν: «Τι το προκάλεσε αυτό;»
Το μόνο που μπορούσα να πω ήταν, «Τίποτα δεν είναι γνωστό».
Για να μπορέσω να προσφέρω καλύτερες απαντήσεις, εγγράφηκα σε ένα μάθημα στο Βουκουρέστι που προσφέρεται από τον Διεθνή Οργανισμό Έρευνας Εγκεφάλου, το IBRO. Ήταν Αμερικανοί και Βρετανοί νευροεπιστήμονες που προσπαθούσαν να φέρουν την προηγμένη επιστήμη του εγκεφάλου σε απομονωμένες χώρες. Η σαφήνεια των παρουσιάσεών τους και η ομορφιά των νευροεπιστημονικών ανακαλύψεων που περιέγραψαν με ενθουσίασαν πάρα πολύ.
Στα μαθήματα γνώρισα τον Jack McMahan, έναν από τους ιδρυτές του προγράμματος νευροβιολογίας στο Stanford. Μείναμε σε επαφή και αργότερα με βοήθησε να έρθω στην Καλιφόρνια.
Τι έγινε με τη μελέτη μεταβολίτη σας;
Ανακαλύψαμε ότι ορισμένοι ασθενείς με αυτισμό είχαν ανωμαλίες στον μεταβολισμό ενός άνθρακα. Αυτή η οδός, η οποία εξαρτάται από το φυλλικό οξύ και τις βιταμίνες του συμπλέγματος Β, διαταράχθηκε ελαφρώς και αυτό πιθανότατα σχετίζεται με έναν συνδυασμό γενετικών και διατροφικών παραγόντων.
Μέχρι να τελειώσω την ιατρική σχολή, είχα δημοσιεύσει αρκετές εργασίες για τον αυτισμό. Ο Τζακ Μακ Μάχαν τα διάβασε και είπε: «Γιατί δεν έρχεσαι στο Στάνφορντ; Έχω έναν συνάδελφο που ενδιαφέρεται να μεταφέρει το εργαστήριό του προς αυτή την κατεύθυνση». Αυτός ήταν ο Ricardo Dolmetsch, ο οποίος λίγα χρόνια αργότερα έγινε ο παγκόσμιος επικεφαλής νευροεπιστήμης στα Ινστιτούτα Novartis για Βιοϊατρική Έρευνα.
Χρειάστηκε λίγος χρόνος για να βρω χρηματοδότηση, αλλά τελικά έλαβα μια υποτροφία IBRO και ήρθα στο Palo Alto.
Ποια ήταν η αποστολή σας στο εργαστήριο Dolmetsch;
Να δημιουργήσουμε μια νέα προσέγγιση για τη μάθηση για τον ανθρώπινο εγκέφαλο.
Μερικά χρόνια νωρίτερα, η Shinya Yamanaka από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, το Σαν Φρανσίσκο και το Πανεπιστήμιο του Κιότο είχαν καταλάβει πώς να πάρουν κύτταρα δέρματος από ποντίκια και να τα επαναπρογραμματίσουν για να μετατραπούν σε επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα - κύτταρα iPS. Τα βλαστοκύτταρα μπορούν να παρασυρθούν σε όλα τα είδη διαφορετικών κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων των νευρώνων, των δομικών στοιχείων του νευρικού συστήματος. Ο Yamanaka θα έπαιρνε το βραβείο Νόμπελ για αυτό.
Στο εργαστήριο του Ricardo, σχεδίασα να βρω τρόπους να μετατρέψω ανθρώπινα κύτταρα iPS σε νευρώνες. Η ιδέα ήταν να αποκτήσουμε κύτταρα δέρματος από παιδιά με αυτισμό, να τα μετατρέψουμε ξανά σε βλαστοκύτταρα και στη συνέχεια να τα οδηγήσουμε να γίνουν νευρώνες σε ένα τρυβλίο Petri. Εάν τα καταφέρναμε, ελπίζαμε να ξεπεράσουμε τα εμπόδια που μας εμπόδισαν να κατανοήσουμε πλήρως πώς αναπτύσσεται το ανθρώπινο νευρικό σύστημα. Αυτός θα ήταν ένας τρόπος για να κατανοήσουμε με μεγαλύτερη σαφήνεια τη βιολογική βάση των νευροψυχιατρικών καταστάσεων όπως ο αυτισμός, η επιληψία και η σχιζοφρένεια.
Ποια είναι αυτά τα εμπόδια;
Το κύριο πρόβλημα είναι η αφόρητη απροσπέλαση του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Όταν κάτι πάει στραβά στον σπλήνα ή στο ήπαρ, οι γιατροί κάνουν βιοψία και αναλύουν τον ιστό. Αυτή η πρακτική έφερε επανάσταση στην ιατρική. Οι ερευνητές μπόρεσαν να πάρουν τα κύτταρα των ασθενών, να τα βάλουν σε ένα πιάτο, να εντοπίσουν τους μηχανισμούς που δυσλειτουργούν και να εφαρμόσουν διαφορετικές ενώσεις για να τα αποκαταστήσουν. Έτσι ανακάλυψαν νέα φάρμακα.
Αλλά εκτός από σπάνιες περιπτώσεις, δεν τρυπάμε το κρανίο ενός ζωντανού ανθρώπου για να μελετήσουμε απευθείας τον ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό. Εκτός από τους ιατρικούς κινδύνους, υπάρχουν βαθιά πολιτιστικά ταμπού. Έχουμε την τάση να συνδέουμε τον εγκέφαλο με το «εμείς», με το ποιοι είμαστε. Αγγίζοντας απευθείας τον εγκέφαλο, αυτές οι μέθοδοι κατά κάποιον τρόπο θεωρούνται ότι παρεμβαίνουν στον «εαυτό».
Αναπολώντας τις κλινικές μου εναλλαγές στην ιατρική σχολή, σχεδόν ένιωσα να ζηλεύω τους συναδέλφους μου στην ογκολογική πτέρυγα. Η επανάσταση της μοριακής βιολογίας, σε συνδυασμό με την προσβασιμότητα των καρκινικών ιστών που τους ενδιέφερε, σήμαινε ότι είχαν στα σκαριά νέες θεραπείες. Υπήρχαν εκπληκτικά πράγματα που συνέβαιναν με τη λευχαιμία, για παράδειγμα.
Με τον αυτισμό δεν είχαμε τίποτα. Δεν μπορέσαμε να αναγνωρίσουμε τους μηχανισμούς που προκάλεσαν τα προβλήματα επειδή δεν μπορούσαμε να μελετήσουμε άμεσα τον εγκεφαλικό ιστό. Και ακόμα κι αν μπορούσαμε, δεν θα ξέραμε τι να ψάξουμε.
Δεν θα μπορούσατε να μελετήσετε τον ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό που ελήφθη από αυτοψίες;
Ο μεταθανάτιος εγκέφαλος σας λέει λίγα για την ηλεκτρική δραστηριότητα των ζωντανών νευρώνων. Πρέπει να μετρήσετε αυτή τη δραστηριότητα γιατί αυτό κάνουν οι νευρώνες στον εγκέφαλο: Εκπέμπουν ηλεκτρικά σήματα.
Όσον αφορά τα ζωικά μοντέλα, έχουν περιορισμούς όταν πρόκειται για μελέτες ψυχιατρικών διαταραχών. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι πιο περίπλοκος από αυτόν των ποντικών ή ακόμα και των μακάκων. Εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης μας χωρίζουν από αυτά τα ζώα. Έχουμε δει αμέτρητα παραδείγματα φαρμάκων που είχαν μεγάλη επιτυχία σε τρωκτικά και στη συνέχεια απέτυχαν σε κλινικές δοκιμές σε ανθρώπους.
Σκέφτηκα ότι θα μπορούσαμε να προχωρήσουμε τα πράγματα φτιάχνοντας μόνοι μας ζωντανό ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό.
Η ιδέα σας πρέπει να ήταν αμφιλεγόμενη.
Ω ναι. Υπήρχαν άνθρωποι που πίστευαν ότι δεν θα λειτουργούσε. Σκέφτηκαν ότι μετασχηματίζοντας τα κύτταρα του δέρματος, θα χάνατε την παθοφυσιολογία της νόσου και τότε δεν θα μπορούσαμε να ανακαλύψουμε τίποτα νέο.
Ωστόσο, μέσα σε οκτώ μήνες, είχαμε λειτουργικούς ανθρώπινους νευρώνες από βλαστοκύτταρα που είχαν ξεκινήσει ως δέρμα ασθενών με γενετική μορφή αυτισμού. Κοιτάζοντάς τα κάτω από το μικροσκόπιο, θα μπορούσατε να τα δείτε να εκπέμπουν σήματα ασβεστίου. Κάπου φτάναμε.
Πώς μπορεί κανείς να φτιάξει νευρώνες;
Ο κυτταρικός επαναπρογραμματισμός μας πήρε βλαστοκύτταρα από τα κύτταρα του δέρματος. Στη συνέχεια κάναμε τα βλαστοκύτταρα να διαφοροποιηθούν σε άλλους τύπους κυττάρων.
Τα βλαστοκύτταρα αγαπούν να διαφοροποιούνται. Πρέπει να μετατραπούν σε άλλους τύπους κυττάρων. Και έχουν πραγματικά μεγάλη πιθανότητα να γίνουν νευρώνες σχεδόν από προεπιλογή. Δεν χρειάζεται να κάνετε τόσα πολλά για να δημιουργήσετε νευρώνες, αν και η καθοδήγησή τους βοηθάει. Αυτό που κάνετε είναι να αυξήσετε το μέσο στο οποίο διατηρούνται τα βλαστοκύτταρα με μόρια που προάγουν τον μετασχηματισμό. Μερικές φορές αφαιρείς και κάποια μόρια.
Σύντομα είχαμε εκατομμύρια όμορφους νευρώνες. Τα κακά νέα ήταν ότι οι νευρώνες μας κόλλησαν στον πάτο ενός τρυβλίου Petri σε ένα μόνο κυτταρικό στρώμα, όπου μετά από εβδομάδες καλλιέργειας, εξέπεσαν. Αν επρόκειτο να αποκαλύψουμε τι συμβαίνει στον ανθρώπινο εγκέφαλο καθώς εξελίσσεται σε μήνες με μήνες, χρειαζόμασταν νευρώνες μεγαλύτερης διάρκειας.
Είχα μια ιδέα. Αγόρασα ένα σετ πλαστικών εργαστηριακών πιάτων επικαλυμμένα με αντικολλητική ουσία και μεγαλώσαμε τα κύτταρα σε αυτά. Παραδόξως, το παιχνίδι λειτούργησε! Τα κύτταρα δεν μπορούσαν να κολλήσουν στο πιάτο. Αντίθετα, επέπλεαν στο μέσο διατηρώντας τα και συγκεντρώθηκαν σε μικρές μπάλες στο μέγεθος του μπιζελιού.
Στην αρχή, ονομάσαμε αυτές τις αιωρούμενες συστάδες κυττάρων σφαιροειδή. Αργότερα έγιναν γνωστά ως οργανοειδή — κάτι που έμοιαζε με ένα συγκεκριμένο όργανο αλλά δεν ήταν.
Πώς ήταν διαφορετικά τα κύτταρα σε αυτές τις μπάλες από τους μοναχικούς σας νευρώνες;
Αναπτύχθηκαν σε τρισδιάστατο χώρο. Κυκλοφορούσαν και αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους. Είναι σημαντικό ότι θα μπορούσαν να διατηρηθούν σε ένα πιάτο για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, θα μπορούσαμε να διατηρήσουμε τα οργανοειδή για 900 ημέρες. Και αυτό μας επέτρεψε να παρατηρούμε νέα πράγματα. Για παράδειγμα, στους εννέα ή δέκα μήνες περίπου, τα κύτταρα έμοιαζαν περισσότερο με μεταγεννητικούς νευρώνες παρά με προγεννητικούς. Έδειχναν να έχουν μια αίσθηση του χρόνου και τι θα έπρεπε να σημαίνει για την ανάπτυξή τους.
Πόσο χρήσιμα ήταν τα οργανοειδή για την έρευνά σας;
Επιτρέψτε μου να σας πω για ένα πείραμα που κάναμε μαζί τους.
Υπάρχει μια γενετική ασθένεια που ονομάζεται σύνδρομο διαγραφής 22q11.2 που περιλαμβάνει απώλεια ενός μέρους του 22ου χρωμοσώματος. Οι ασθενείς έχουν 30πλάσιο κίνδυνο για σχιζοφρένεια. Μπορούν επίσης να αναπτύξουν αυτισμό ή άλλες νευροψυχιατρικές διαταραχές. Επιστρατεύσαμε 15 ασθενείς και 15 υγιείς μάρτυρες και αρχίσαμε να φτιάχνουμε νευρώνες που μοιάζουν με τον εγκεφαλικό φλοιό από το δέρμα που δώρησαν. Είδαμε ότι οι νευρώνες από τους ασθενείς είχαν μη φυσιολογικές ηλεκτρικές ιδιότητες. Δεν μπορούσαν να επικοινωνήσουν σωστά μεταξύ τους.
Τώρα, η σχιζοφρένεια αντιμετωπίζεται συχνά με αντιψυχωσικά φάρμακα. Βάλαμε μερικά από αυτά τα φάρμακα σε ένα πιάτο με φλοιώδη οργανοειδή φτιαγμένα από τα κύτταρα των ασθενών μας και είδαμε ότι τα αντιψυχωσικά φάρμακα ανέτρεψαν το πρόβλημα με τις ηλεκτρικές ιδιότητες των νευρώνων.
Αυτό σήμαινε ότι τώρα είχαμε έναν τρόπο να δοκιμάσουμε αυτά τα φάρμακα σε ένα πιάτο.
Μιλήσατε για οργανοειδή. Τι είναι όμως τα assembloids;
Τα Assembloids είναι ένα νέο μοντέλο συστήματος που καταλήξαμε πριν από έξι έως επτά χρόνια. Είναι τρισδιάστατα συστήματα κυτταροκαλλιέργειας κατασκευασμένα από τουλάχιστον δύο διαφορετικούς τύπους οργανοειδών ή με συνδυασμό οργανοειδών με κάποιους άλλους εξειδικευμένους τύπους κυττάρων. Συνδυάζοντάς τα μαζί, μπορούμε να δούμε νέες ιδιότητες κυττάρων που προκύπτουν από τις στενές αλληλεπιδράσεις τους.
Μπορείτε να βάλετε δύο οργανοειδή που μοιάζουν με διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου μαζί και να δείτε πώς οι νευρώνες προβάλλουν ο ένας στον άλλο και στη συνέχεια να συνδεθούν για να σχηματίσουν κυκλώματα. Ή μπορείτε να συνδυάσετε οργανοειδή με κύτταρα του ανοσοποιητικού και να εξετάσετε τις νευροάνοσες αλληλεπιδράσεις στις ασθένειες.
Για παράδειγμα, υπάρχει ένας σπάνιος τύπος αυτισμού που σχετίζεται με μια γενετική διαταραχή που ονομάζεται σύνδρομο Timothy. Προκαλείται από μια μετάλλαξη ενός γράμματος σε ένα γονίδιο που κωδικοποιεί ένα κανάλι ασβεστίου. Επιτρέπει σε πάρα πολύ ασβέστιο να εισέλθει στα κύτταρα όταν λαμβάνουν ηλεκτρικά σήματα. Αυτό παρεμβαίνει στη μετάδοση χημικών σημάτων εντός των νευρώνων και άλλων διεγέρσιμων κυττάρων.
Πήραμε κύτταρα δέρματος από ασθενείς με σύνδρομο Timothy, φτιάξαμε συναρμολογοειδή και μετά παρατηρήσαμε τι συνέβη μέσα σε αυτά. Μπορούσαμε να δούμε ότι οι νευρώνες που αναπτύχθηκαν από τα κύτταρα των ασθενών μετακινούνταν πιο συχνά, αλλά κινούνταν για μικρότερες αποστάσεις από τους νευρώνες από την υγιή ομάδα ελέγχου. Τα κύτταρα των ασθενών τελικά έπεσαν πίσω στην οργάνωσή τους.
Πρέπει να ήταν συναρπαστικό να το βλέπεις αυτό σε πραγματικό χρόνο.
Μπορούσες να το δεις! Θα μπορούσατε να το δείτε κυριολεκτικά με τα μάτια σας!
Είχαμε αυτή τη βαφή που χρωματίζει το ασβέστιο. Τη στιγμή που το ασβέστιο μπήκε στα κύτταρα, μπορούσες να δεις τα χρώματα να ανεβαίνουν και να κατεβαίνουν, μετρώντας πόσο ασβέστιο μπήκε μέσα στο κύτταρο. Υπήρχε περισσότερο στα κύτταρα των ασθενών.
Ξοδέψαμε έξι χρόνια για να ανακαλύψουμε πώς ακριβώς αυτό το κανάλι ασβεστίου προκαλεί ελαττώματα στην κίνηση αυτών των συγκεκριμένων τύπων νευρώνων. Το μεταλλαγμένο κανάλι στους ασθενείς επηρεάζει δύο διαφορετικές μοριακές οδούς στους νευρώνες. Είναι σημαντικό ότι διαπιστώσαμε ότι χρειάζεστε δύο διαφορετικά φάρμακα για να αποκαταστήσετε τη δραστηριότητα. Σκεφτόμαστε ότι τώρα έχουμε τα θεμέλια για το τι μπορεί στο μέλλον να μας οδηγήσει σε θεραπεία.
Δεν θα μπορούσαμε ποτέ να το μάθουμε αυτό χωρίς τα assembloids επειδή χρειάζεστε τα κελιά να αλληλεπιδρούν σε τρεις διαστάσεις για να το αποτυπώσετε.
Στη νέα σας εργασία, ανακοινώνετε ότι το εργαστήριό σας δημιούργησε έναν αρουραίο στον οποίο οι ανθρώπινοι νευρώνες καλύπτουν το ένα τρίτο του φλοιού του ζώου σε ένα ημισφαίριο και ενσωματώνονται βαθιά στον εγκέφαλο. Γιατί να δημιουργήσετε αυτό το μοντέλο;
Για περισσότερο από μια δεκαετία, φτιάχνουμε τους πολιτισμούς σε ένα πιάτο που ανακεφαλαιώνει πολλές πτυχές του νευρικού συστήματος ενός ανθρώπου. Υπάρχουν όμως περιορισμοί σε αυτούς τους πολιτισμούς: Οι νευρώνες που δημιουργήσαμε δεν μεγαλώνουν τόσο μεγάλοι σε μέγεθος. Δεν υπάρχουν αποτελέσματα συμπεριφοράς όπως θα υπήρχαν σε έναν πραγματικό ανθρώπινο εγκέφαλο. Και δεν λαμβάνουν αισθητηριακές εισροές που θα διαμορφώσουν την ανάπτυξή τους - ο φλοιός χρειάζεται να λαμβάνει σήματα. Προσπαθούμε να προσφέρουμε κάποια σημαντική εξωτερική εισροή σε αυτούς τους ανθρώπινους νευρώνες.
Έτσι, το επόμενο βήμα ήταν η ανάπτυξη ανθρώπινων νευρώνων μέσα στον εγκέφαλο ενός αρουραίου. Πήραμε τα οργανοειδή και τα μεταμοσχεύσαμε στον εγκεφαλικό φλοιό ενός κουταβιού αρουραίου. Το οργανοειδές αγγειώθηκε από τον αρουραίο και τελικά μεγάλωσε για να καλύψει το ένα τρίτο του εγκεφαλικού φλοιώδους ημισφαιρίου του.
Νόμιζα ότι δεν ήσουν πολύ λάτρης των ζωικών μοντέλων για την έρευνα του ανθρώπινου εγκεφάλου. Τι συνέβη?
Νομίζω ότι τα μοντέλα ζώων και τα ανθρώπινα κυτταρικά μοντέλα είναι συμπληρωματικά. Σε αυτή την περίπτωση, η μεταμόσχευση σε ζώα μας επιτρέπει να ενσωματώσουμε ανθρώπινους νευρώνες σε κυκλώματα για την κατανόηση αυτών των ασθενειών και για τη δοκιμή φαρμάκων. Είναι επίσης ένας άλλος τρόπος για να κατανοήσουμε πώς οι ανθρώπινοι νευρώνες επεξεργάζονται πληροφορίες μέσα σε ζωντανά κυκλώματα.
Έτσι, αυτοί οι ανθρώπινοι νευρώνες από τα οργανοειδή είχαν την ευκαιρία να αναπτυχθούν μέσα στον εγκέφαλο του αρουραίου και μπόρεσαν να λάβουν εισροές και εξόδους από το ζώο. Πώς συγκρίνονται με τους νευρώνες που έχουν αναπτυχθεί μόνο μέσα στα οργανοειδή; Και πώς συγκρίνονται με τους νευρώνες που αναπτύσσονται στον εγκέφαλό μας;
Οι μεταμοσχευμένοι ανθρώπινοι νευρώνες είναι περίπου έξι φορές μεγαλύτεροι από τους ανθρώπινους νευρώνες παρόμοιας ανάπτυξης που διατηρούνται σε ένα πιάτο. Είναι επίσης πιο ώριμα ηλεκτροφυσιολογικά και σχηματίζουν περισσότερες συνάψεις και είναι πολύ πιο κοντά στους νευρώνες στον μεταγεννητικό ανθρώπινο εγκέφαλο.
Βλέπετε κάποιου είδους διαφορές συμπεριφοράς σε αυτούς τους αρουραίους που έχουν αποκτήσει τόσους πολλούς ανθρώπινους νευρώνες;
Όχι. Δεν υπάρχουν διαφορές στις γνωστικές και κινητικές εργασίες στις οποίες δοκιμάσαμε τους αρουραίους. Επαληθεύσαμε επίσης και δεν έχουν επιληπτικές κρίσεις. Οι αρουραίοι μπορούν, ωστόσο, να εκπαιδευτούν να συσχετίζουν τη διέγερση των ανθρώπινων νευρώνων με την παροχή μιας ανταμοιβής. Αυτό προσφέρει άνευ προηγουμένου ευκαιρίες για τη μελέτη των διαταραχών του ανθρώπινου εγκεφάλου.
Σε ποιο σημείο πρέπει τα συναρμολογοειδή και τα οργανοειδή σας να έχουν κάποιου είδους νόμιμα δικαιώματα;
Νομίζω ότι για in vitro καλλιέργειες, είναι απλώς συστάδες κυττάρων. Δεν τους θεωρούμε εγκεφάλους. Γίνεται πιο λεπτή όταν πρόκειται για μεταμόσχευση σε ζώα.
Πώς νιώθουν οι βιοηθικοί για τα πειράματά σας;
Συνεργαζόμαστε στενά μαζί τους. Σε όλη αυτή τη διαδρομή, συμμετείχα ενεργά σε συζητήσεις με ηθικολόγους στο Στάνφορντ και όχι μόνο. Όλα τα πειράματα που κάνουμε παρακολουθούνται στενά και συζητούνται με ηθικολόγους. Δεν κάνουμε τα πειράματα μεμονωμένα. Τα πειράματα συζητούνται πριν αναληφθούν και βεβαίως κατά την εκτέλεση. Θα μιλήσουμε για τις επιπτώσεις, τα υπέρ και τα κατά.
Σκέφτεσαι ποτέ το Φρανκενστάιν ιστορία?
Το σκέφτομαι πολύ. Αλλά νομίζω ότι η ιστορία δεν είναι και τόσο σχετική με τη σημερινή επιστήμη. Στον σημερινό κόσμο, μπορούν να αναπτυχθούν τεχνολογίες που είναι ηθικές. Πολλά έχουν να κάνουν με το κίνητρο του ερευνητή. Ο μακροπρόθεσμος στόχος μου είναι να βρω μια θεραπεία και ίσως μια θεραπεία για αυτές τις νευροαναπτυξιακές διαταραχές. Αυτό ήταν το Βόρειο Αστέρι μου.
Πριν από μερικά χρόνια πριν λάβει το βραβείο Νόμπελ για το CRISPR, ρώτησα την Jennifer Doudna αν ανησυχούσε για την πιθανή κακή χρήση αυτής της τεχνολογίας επεξεργασίας γονιδίων. Απάντησε ότι την ανησυχεί «η επιθυμία σε ορισμένους τομείς να βιαστεί να αλλάξει τα ανθρώπινα έμβρυα». Λίγο αργότερα, ένας φιλόδοξος ερευνητής στο Shenzhen της Κίνας, ανακοίνωσε ότι είχε χρησιμοποιήσει το CRISPR για να αναθεωρήσει τον γενετικό κώδικα δύο ανθρώπινων μωρών. Ανησυχείτε ποτέ να σηκώσετε την εφημερίδα και να ανακαλύψετε ότι κάποιος επιστήμονας κάπου χρησιμοποίησε τη δουλειά σας για να παράγει πρόωρα μέρη ενός ανθρώπινου εγκεφάλου;
Όχι. Ένα από τα πράγματα που διακρίνει την οργανοειδή εργασία από το CRISPR είναι οι πόροι που χρειάζονται για τα πειράματα. Για να κάνετε μια γονιδιακή επεξεργασία με το CRISPR απαιτείται μόνο κάποια εκπαίδευση και λίγοι πόροι. Είναι δυνατό να το κάνετε στην κουζίνα σας! Αυτό που κάνουμε απαιτεί πολύ περισσότερο χρόνο και χρήμα. Για να διατηρηθούν τα κύτταρα ζωντανά για 900 ημέρες είναι αρκετά ακριβό και απαιτεί εξειδικευμένη εκπαίδευση και εγκαταστάσεις. Αυτό το γεγονός από μόνο του μας δίνει λίγο χώρο για να επεξεργαστούμε τις ανακαλύψεις μας και τις επιπτώσεις τους.
Υπάρχουν λίγα μέρη με την υποδομή και την τεχνογνωσία που απαιτούνται για να γίνει αυτό. Προσπαθούμε να αναπαράγουμε την ανάπτυξη του ανθρώπινου εγκεφάλου, η οποία διαρκεί πολύ. Η αποκάλυψη της κρυφής μηχανικής του διαρκεί ακόμα περισσότερο. Δουλεύω σε αυτό κάθε μέρα τα τελευταία 15 χρόνια.
Πόσο κοντά είστε σε κάποιες λύσεις;
Είμαι αισιόδοξος, αλλά δεν θέλω να είμαι μη ρεαλιστής. Σίγουρα είμαστε σε καλύτερη κατάσταση από ό,τι ήμασταν πριν από 15 χρόνια. Τώρα έχουμε μεγάλες λίστες γονιδίων που σχετίζονται με τον αυτισμό και έχουμε αυτό το νέο εργαλείο για να τα μελετήσουμε. Αλλά πρέπει ακόμα να καταλάβουμε πώς αυτά τα μεταλλαγμένα γονίδια προκαλούν τα πράγματα να πάνε στραβά στον εγκέφαλο, ώστε να μπορέσουμε να δημιουργήσουμε αποτελεσματικά φάρμακα.
Η ιστορία σας ξεκινά στη Ρουμανία πριν από 20 χρόνια, όταν δεν ήξερες τι να πεις στους γονείς των παιδιών με αυτισμό. Αν επέστρεφες τώρα σε αυτή τη χώρα, τι θα έλεγες;
Το μόνο που μπορώ να πω ειλικρινά είναι ότι είμαι αισιόδοξος. Είμαστε ακόμα πολύ μακριά από τη θεραπεία. Από την άλλη πλευρά, τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει τεράστιες ανακαλύψεις σε άλλες φαινομενικά αδιάλυτες ασθένειες. Αυτό μου δίνει τεράστια ελπίδα.
