Talking ScienceΤα οργανοειδή που αναπτύσσονται από ανθρώπινα βλαστοκύτταρα μπορούν να βοηθήσουν στην παροχή απαντήσεων σε σημαντικά ιατρικά ερωτήματα. Σε μια συνεργασία που φαίνεται ότι θα ωφελήσει και τις δύο πλευρές, η καθηγήτρια του ETH Zurich Barbara Treutlein συνεργάστηκε με τον φαρμακευτικό γίγαντα Roche για να προωθήσει την έρευνα σε αυτόν τον τομέα.
Οι μάζες των κυττάρων είναι μέτριου μεγέθους, που κυμαίνονται από λίγα χιλιοστά έως μερικά εκατοστά – ωστόσο ο αντίκτυπός τους στην ιατρική έρευνα μπορεί να είναι τεράστιος. Γνωστά ως οργανοειδή, αποτελούν το επίκεντρο της έρευνας που πραγματοποιήθηκε από την Barbara Treutlein, Καθηγήτρια Ποσοτικής Αναπτυξιακής Βιολογίας στο ETH. Αυτά τα συστήματα που μοιάζουν με όργανα αποτελούνται από διαφορετικούς τύπους κυττάρων που είναι διατεταγμένοι σε πολύπλοκες δομές ιστών, καθιστώντας τα ουσιαστικά την τρισδιάστατη επέκταση των δισδιάστατων κυτταρικών καλλιεργειών. Όλα τα δείγματα στο εργαστήριο του Treutlein έχουν αναπτυχθεί από ανθρώπινο ιστό. «Τα οργανοειδή μας βοηθούν να αντιμετωπίσουμε ερωτήματα σε διάφορους τομείς της ιατρικής», λέει η Treutlein.
Ένα από αυτά τα ερωτήματα αφορά τις πιθανές αιτίες των διαταραχών του φάσματος του αυτισμού. Η ανάλυση των δεδομένων των ασθενών έχει ήδη εντοπίσει μια σύνδεση μεταξύ ορισμένων γονιδίων και του αυτισμού. Για να ανακαλύψουν πώς ακριβώς αυτά τα γονίδια επηρεάζουν την ανάπτυξη του εγκεφάλου, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα εγκεφαλικό οργανοειδές μετατρέποντας τα βλαστοκύτταρα σε νευρώνες. Στη συνέχεια απενεργοποίησαν ορισμένα γονίδια στο οργανοειδές χρησιμοποιώντας το «γενετικό ψαλίδι» της μεθόδου CRISPR-Cas. Αυτό το πείραμα διεξήχθη από συναδέλφους από την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών και έγινε από την ερευνητική ομάδα του Treutlein, η οποία ανέπτυξε τα εργαλεία βιοπληροφορικής αιχμής που απαιτούνται για την ανάλυση των τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων που ελήφθησαν από ανάλυση ενός κυττάρου. «Τελικά καταφέραμε να εντοπίσουμε τα αποτελέσματα της απενεργοποίησης αυτών των γονιδίων. Μας ενδιαφέρει αν υπάρχουν μηχανισμοί που επηρεάζουν όλα τα γονίδια και αν κάποιοι μηχανισμοί είναι συγκεκριμένοι για ορισμένα γονίδια», λέει η Treutlein. «Ακολουθώντας αυτήν την προσέγγιση, μπορούμε να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε καλύτερα μια ασθένεια». Σε αυτή την περίπτωση, οι ερευνητές ανακάλυψαν ποια δίκτυα γονιδίων σε ποιον τύπο εγκεφαλικών κυττάρων ευθύνονται για την ανάπτυξη του αυτισμού.
Τελικά καταφέραμε να εντοπίσουμε τα αποτελέσματα της απενεργοποίησης αυτών των γονιδίων. Μας ενδιαφέρει αν υπάρχουν μηχανισμοί που επηρεάζουν όλα τα γονίδια και αν κάποιοι μηχανισμοί είναι συγκεκριμένοι για ορισμένα γονίδια.
Barbara Treutlein
Εκτός από τη μελέτη ανωμαλιών στην ανάπτυξη του εγκεφάλου, το εργαστήριο της Treutlein εργάζεται επίσης στον Άτλαντα των Ανθρώπινων Κυττάρων, ένα έργο που στοχεύει να συντάξει έναν χάρτη για κάθε τύπο κυττάρου στο ανθρώπινο σώμα, από την ανάπτυξη μέχρι την ενηλικίωση. Ερευνητές σε όλο τον κόσμο καταβάλλουν τεράστια προσπάθεια για τη δημιουργία αυτού του άτλαντα αναφοράς.
Η κύρια συνεισφορά από την ερευνητική ομάδα της Treutlein είναι δεδομένα που προέρχονται από τον χαρακτηρισμό των κυττάρων του νευρικού συστήματος. Στα πειράματά τους, η ομάδα αναλύει περισσότερα από 20.000 γονίδια ανά κύτταρο, επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία για χιλιάδες κύτταρα. Αυτό δημιουργεί τεράστιες ποσότητες δεδομένων, τα οποία οι επιστήμονες ερμηνεύουν με τη βοήθεια της μηχανικής μάθησης. «Οι αλγόριθμοι εντοπίζουν μοτίβα μέσα σε αυτόν τον τεράστιο όγκο δεδομένων», λέει η Treutlein. Στη συνέχεια, αυτές οι πληροφορίες προστίθενται στον άτλαντα αναφοράς, τον οποίο οι ερευνητές σε όλο τον κόσμο μπορούν να χρησιμοποιήσουν για πειράματα.
Κύτταρα από ασθενείς
Μερικά από τα οργανοειδή στο εργαστήριο του Treutlein προέρχονται από εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα (ESC), τα οποία οι διεθνείς οργανισμοί διατηρούν ως σειρές βλαστοκυττάρων εδώ και δεκαετίες. Επειδή τα ESC εμφανίζονται πολύ νωρίς κατά την ανάπτυξη του εμβρύου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή οποιουδήποτε τύπου κυττάρου – δεδομένου του κατάλληλου περιβάλλοντος – και επομένως οποιουδήποτε τύπου οργανοειδούς.
Η ερευνητική ομάδα δημιουργεί επίσης τα δικά της βλαστοκύτταρα από ιστό ενηλίκων. Γνωστά ως επαγόμενα βλαστοκύτταρα, αυτά παράγονται από κύτταρα του σώματος, όπως κύτταρα δέρματος ή λευκά αιμοσφαίρια. Με την εισαγωγή των σωστών παραγόντων σε αυτά τα κύτταρα του σώματος, μπορούν να μετατραπούν ξανά σε βλαστοκύτταρα, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη ενός νέου οργανοειδούς. «Μπορούμε να απομονώσουμε κύτταρα από ασθενείς, να τα μετατρέψουμε σε βλαστοκύτταρα και στη συνέχεια να δημιουργήσουμε ένα οργανοειδές», λέει η Treutlein. «Αυτό που κάνει αυτή την προσέγγιση τόσο συναρπαστική είναι ότι ουσιαστικά μιμούμε την ανάπτυξη οργάνων στο επίπεδο του μεμονωμένου ασθενούς». Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές μπορούν να μοντελοποιήσουν πώς αναπτύσσεται μια ασθένεια σε ένα πιάτο Petri και να προσπαθήσουν να κατανοήσουν τους μηχανισμούς που εμπλέκονται.
Η περικοιλιακή ετεροτοπία είναι μια τέτοια διαταραχή που μελετάται επί του παρόντος από έναν διδακτορικό φοιτητή στην ερευνητική ομάδα της Treutlein. Αυτή είναι μια κατάσταση κατά την οποία οι νευρώνες αποτυγχάνουν να μεταναστεύσουν σωστά κατά την αρχική ανάπτυξη του εγκεφάλου. Η επιληψία μπορεί να είναι μια από τις εκδηλώσεις της. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι επηρεάζονται 21 γονίδια. Όταν απενεργοποιούν αυτά τα γονίδια στο οργανοειδές του εγκεφάλου, αυτό δημιουργεί μια ανισορροπία στους διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Προς το παρόν, αυτά είναι ακόμα μόνο τα προκαταρκτικά ευρήματα από τα αρχικά πειράματα. «Αλλά αν μπορούμε να βελτιώσουμε την κατανόησή μας για τους μηχανισμούς που εμπλέκονται, αυτό θα μπορούσε να θέσει τα θεμέλια για νέες θεραπείες», λέει η Treutlein.
Περισσότεροι από ένας τύποι κυττάρων
Η ερευνητική ομάδα της Treutlein έχει αναλύσει τα μεμονωμένα κύτταρα των όγκων. Σε αντίθεση με την ανάλυση στο μικροσκόπιο, η οποία επιτρέπει απλώς μια γενικευμένη δήλωση ως προς το εάν ο ιστός του όγκου πεθαίνει ή όχι, η τεχνολογία μονοκυττάρου της Treutlein αποδίδει πολύ πιο ακριβή συμπεράσματα. «Τα οργανοειδή είναι πολύπλοκες δομές», λέει. «Γι’ αυτό είναι σημαντικό να τα αναλύσουμε λεπτομερώς». Αναλύοντας γονίδια και πρωτεΐνες σε επίπεδο μονοκυττάρου, οι επιστήμονες μπορούν να προσδιορίσουν πόσο αποτελεσματικά λειτουργεί μια θεραπεία καρκίνου σε έναν όγκο.
«Αυτό το έργο υπογραμμίζει γιατί η συνεργασία μας με την IHB στη Roche είναι τόσο επωφελής», λέει η Treutlein. Αυτό το συναίσθημα επαναλαμβάνεται από τον Matthias Lütolf, επικεφαλής του IHB και καθηγητή Βιομηχανικής στο EPFL: «Το ETH Zurich είναι ένα από τα κορυφαία πανεπιστήμια στον κόσμο, γεγονός που τα καθιστά τον τέλειο συνεργάτη για το IHB. Έχουν εξαιρετικούς διδακτορικούς φοιτητές και ερευνητές – και αυτός είναι ένας μεγάλος λόγος για τον οποίο οι κοινές ερευνητικές μας δραστηριότητες πάνε τόσο καλά». Η Treutlein πιστεύει ότι αυτή η επιτυχία οφείλεται κυρίως στη διαφορά εστίασης μεταξύ του ακαδημαϊκού χώρου και της φαρμακευτικής βιομηχανίας: «Ως πανεπιστήμιο, είναι πιο εύκολο για εμάς να αναλάβουμε μακροπρόθεσμα έργα, τα οποία είναι, φυσικά, πιο επικίνδυνα. Ταυτόχρονα, επωφελούμαστε από την πρακτική εστίαση του ιδιωτικού τομέα, η οποία απαιτείται για την προώθηση των πραγματικών εφαρμογών».
Το ETH Zurich και η Roche έχουν επίσης ξεκινήσει ένα κοινό πρόγραμμα για διδακτορικούς φοιτητές και το εργαστήριο του Treutlein θα υποδεχθεί σύντομα έναν διδακτορικό φοιτητή από το IHB. Τόσο αυτή όσο και ο Lütolf βλέπουν μεγάλα οφέλη από την απόφαση να εγκατασταθεί το Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Βιοσυστημάτων της ETH Zurich στη Βασιλεία. «Οι κοινοί μαθητές μας χρειάζονται εύκολη πρόσβαση στα εργαστήρια και των δύο εταίρων και την ικανότητα να μετακινούνται γρήγορα από το ένα ίδρυμα στο άλλο», εξηγεί. «Είναι αυτό το είδος προσωπικής επαφής που πιστεύω ότι είναι το κλειδί για την επιτυχημένη έρευνα».
Εκπαίδευση της επόμενης γενιάς βιοϊατρικών ερευνητών
Το ETH Zurich συνεργάστηκε με τη Roche για την έναρξη δύο νέων προγραμμάτων έρευνας και κατάρτισης. Η εστίαση τους είναι στην ανάπτυξη και εφαρμογή νέων τεχνικών βιομηχανικής και νέων συστημάτων ανθρώπινων μοντέλων που βασίζονται σε κύτταρα και γονίδια. Το ETH Zurich και η Roche σχεδιάζουν να εγγράψουν έως και 20 διδακτορικούς φοιτητές και έως και 20 μεταδιδακτορικούς υποτρόφους τα επόμενα τρία έως τέσσερα χρόνια. Αυτή η συνεργασία θα βασίζεται κυρίως στη Βασιλεία, όπου βρίσκεται όχι μόνο το Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Βιοσυστημάτων του ETH Ζυρίχης, αλλά και η μονάδα Φαρμακευτικής Έρευνας και Πρώιμης Ανάπτυξης της Roche και το νέο Ινστιτούτο Ανθρώπινης Βιολογίας.
Σχετικά με
Η Barbara Treutlein είναι Καθηγήτρια Ποσοτικής Αναπτυξιακής Βιολογίας στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Βιοσυστημάτων στο ETH Zurich στη Βασιλεία.
Aναδημοσίευση άρθρου της Corinne Johannssen 03.04.2024 στο ETH News. Link to original article >
