Νέα > Επιστημονικά Νέα

Έλληνες επιστήμονες αναπτύσσουν λειτουργικά νευρικά δίκτυα σε μικροτσίπ πυριτίου

Σεπ 03, 2015

Έλληνες ερευνητές στο ΙΤΕ και στο Πανεπιστήμιο Κρήτης αναπτύσσουν τρισδιάστατες βιομιμητικές σκαλωσιές-ικριώματα πυριτίου (το υλικό των μικροτσίπ) για την καλλιέργεια νευρώνων και νευρικών βλαστικών κυττάρων με στόχο την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών προσεγγίσεων των νευροεκφυλιστικών νόσων

Με τη βοήθεια προηγμένων τεχνικών κατεργασίας με ακτινοβολία λέιζερ, ερευνητές από το ΙΤΕ κατάφεραν να σμιλεύσουν μικροσκοπικές τρισδιάστατες βιομιμητικές σκαλωσιές-ικριώματα από κώνους στην επιφάνεια μικροτσίπ πυριτίου, επάνω στις οποίες στη συνέχεια αναπτύχθηκαν επιτυχώς δίκτυα διαφόρων τύπων νευρικών κυττάρων. Εκμεταλλευόμενοι την μοναδικής ακρίβειας μικροχάραξη με ακτίνες Λειζερ ανέπτυξαν τρισδιάστατα μικρο-ικριώματα ειδικών γεωμετρικών χαρακτηριστικών που επιτυγχάνουν να ελέγξουν τον προσαναντολισμό και την αλληλεπίδραση των νευρώνων και των νευραξόνων ενός νευρωνικού δικτύου.

Ε. Στρατάκης: Η μορφολογία και ιδιαίτερα η κατεύθυνση, ο προσανατολισμός ενός δικτύου νευρικών κυττάρων εξαρτάται, σύμφωνα με τη σχετική μελέτη μας, σε μεγάλο βαθμό από συγκεκριμένα γεωμετρικά μορφολογικά χαρακτηριστικά του υποστρώματος ανάπτυξης και διεπαφής. Ως γνωστόν, η επικοινωνία μεταξύ των νευρικών κυττάρων πραγματοποιείται μέσω ηλεκτρικών σημάτων, τα οποία μεταφέρονται από τους νευράξονες τους, υπό την μορφήν ενός τύπου βιο-ηλεκτρικού κυκλώματος. Μέσω της καλλιέργειας των νευρικών κυττάρων επάνω σε ένα κατάλληλα διαμορφωμένο υπόστρωμα με τη μορφή μικροτσίπ (Neurochip) δίνεται στους ειδικούς η δυνατότητα να καταγράψουν και να χαρακτηρίσουν τα σήματα αυτά αλλά και να μεταδώσουν προς τα κύτταρα εξωτερικό ηλεκτρικό ερέθισμα. Αυτές οι τριδιάστατες μικρο-κατασκευές έχουν την δυνατότητα να μιμηθούν τις ιστιδικές δομές που υποστηρίζουν τους νευρώνες και τα γλοιακά κύτταρα στον ζώντα εγκέφαλο με αποτέλεσμα να βοηθούν σημαντικά στην φυσιολογικότερη, δυναμική λειτουργία των νευρώνων. Η έκφραση των γονιδίων, η παραγωγή των πρωτεινών που είναι απαραίτητες για την λειτουργία των νευρώνων σε τρισδιάστατες συνθήκες προσιδιάζουν περισσότερο προς τις αντίστοιχες του ζώντος εγκεφάλου.

Α. Γραβάνης: Απώτερο στόχο της έρευνας αποτελεί η δημιουργία μιας κατάλληλα διαμορφωμένης μικροσυσκευής (Brain-on-Chip) η οποία να ελέγχει την ανάπτυξη του νευρικού δικτύου και ταυτόχρονα να καταγράφει την απόκρισή του σε εξωτερικά ερεθίσματα. Βασικός στόχος του ερευνητικού προγράμματος που χρηματοδοτήθηκε κυρίως από το European Research Council (ERC) National Initiative στο οποίο είμαι επιστημονικός υπεύθυνος είναι η ανάπτυξη μίας καινοτόμου πλατφόρμας για την μελέτη της βιολογικής συμπεριφοράς των νευρώνων σε τρισδιάστατες συνθήκες ex vivo που μιμούνται πιστότερα τις συνθήκες του ζώντος εγκεφάλου. Πράγματι, η μελέτη της συμπεριφοράς των νευρώνων σε πειραματικές συνθήκες καλλιέργειας σε δύο διαστάσεις παρουσιάζει πολλά προβλήματα με σημαντικότερο το ότι απέχει κατά πολύ από την συμπεριφορά τους στον ζώντα εγκέφαλο, όπου λειτουργούν σε τρισδιάστατο περιβάλλον. Οι καλλιέργειες νευρώνων δύο διαστάσεων σε ειδικά τρυβλία έχουν χρησιμοποιηθεί κατά κόρον για την ανακάλυψη νέων φαρμάκων που στοχεύουν ασθένειες του εγκεφάλου. Η αποτελεσματικότητα ενός φαρμάκου στις καλλιέργειες νευρώνων δύο διαστάσεων παρέχει τα πρώτα θετικά δεδομένα ώστε αυτό να δοκιμαστεί σε ζώντα πειραματόζωα και κατόπιν στον Άνθρωπο. Από την παραπάνω διαδικασία καθίσταται σαφές ότι η ανακάλυψη νέων φαρμάκων απαιτεί πολύ χρόνο και εξαιρετικά πολλά χρήματα, ενώ ένας σημαντικός αριθμός των υποψήφιων φαρμάκων, δραστικών στις καλλιέργειες δύο διαστάσεων, αποτυγχάνει στις κλινικές δοκιμασίες στον άνθρωπο. Κι αυτό γιατί οι υπό μελέτη νευρώνες σε καλλιέργειες δύο διαστάσεων σε τρύβλια απαντούν πολλές φορές τελείως διαφορετικά στο υπό μελέτη φάρμακο από ότι στις συνθήκες της τρισδιάστατης οργάνωσης του ζώντος εγκεφάλου. Η έρευνα στοχεύει ακριβώς στην ανάπτυξη ενός νευροαισθητήρα στον οποίο θα φιλοξενούνται και αναπτύσσονται σε τρισδιάστατες συνθήκες νευρικά βλαστικά κυτταρα και νευρώνες για την ανίχνευση χημικών βιβλιοθηκών για νέες νευροπροστατευτικές και νευροαναγεννητικές ουσίες με πιθανες θεραπευτικές εφαρμογές στα νευροεκφυλιστκικά νοσήματα και το εγκεφαλικό τραύμα. Επίσης, μελλοντικά, μια τέτοια μικροσυσκευή θα μπορούσε να εξελιχθεί σε ένα έξυπνο νευροεμφύτευμα σε περιοχές του εγκεφάλου που έχουν υποστεί βλάβες, το οποίο θα προάγει την ελεγχόμενη ανάπτυξη και αναγέννηση υγιούς νευρικού ιστού προς αποκατάσταση της νευροεκφυλιστικής βλάβης. Η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε μελλοντικά να βοηθήσει στην αντιμετώπιση σοβαρών εκφυλιστικών νόσων, όπως π.χ. αυτές του Πάρκινσον, του Αλτσχάιμερ ή οι τραυματικές βλάβες του νωτιαίου μυελού.

Τα ενδιαφέροντα αυτά ευρήματα δημοσιεύθηκαν πριν από λίγες ημέρες στο Biomaterials (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961215005840), το κορυφαίο διεθνώς επιστημονικό έντυπο στον τομέα των Βιουλικών. Η εν λόγω έρευνα είναι το αποτέλεσμα συνεργασίας των ερευνητικών ομάδων του Εργαστηρίου Μικρο-Νανο Δόμησης με Υπερβραχείς Παλμούς Λέιζερ και της ομάδας Μηχανικής ιστών και αναγεννητικής ιατρικής του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ με την νέα Ερευνήτρια Χαρά Σιμιτζή και τους Ερευνητές Ανθή Ρανέλλα και Εμμανουήλ Στρατάκη και του Εργαστηρίου Φαρμακολογίας της Ιατρικής Σχολής Παν/μιου Κρήτης και του Εργαστήριου Αναγεννητικής Εμβιομηχανικής του Νευρικού Ιστού του ΙΤΕ με τους μεταπτυχιακούς φοιτητές Πασχάλη Ευσταθόπουλο και Αλεξάνδρα Κουργιαντάκη υπό την επίβλεψη του Επίκουρου Καθηγητή Γιάννη Χαραλαμπόπουλο και του Καθηγητή και Ερευνητή του ΙΤΕ Αχιλλέα Γραβάνη. Στην έρευνα συμμετείχε επίσης και η Καθηγήτρια Ειρήνη Αθανασσάκη από το εργαστήριο Ανοσολογίας του τμήματος Βιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης, και ο Καθηγητής Κώστας Φωτάκης, Πρόεδρος του ΔΣ του ΙΤΕ και μέχρι πρόσφατα Αναπληρωτής Υπουργός Έρευνας και Καινοτομίας.

Εικόνα 1: Βιομιμητικές μικροσκοπικές κωνικές δομές πυριτίου σμιλευμένες με λέιζερ, επάνω στις οποίες αναπτύχθηκαν δίκτυα διαφόρων τύπων νευρικών κυττάρων με ελεγχόμενη μορφολογία.

Εικόνα 2: Δίκτυο από νευρικά κύτταρα ανεπτυγμένο πάνω σε μικροσκοπικές κωνικές δομές πυριτίου σμιλευμένες από αχτίνες λέιζερ.

Εικόνα 3: Πλάγια όψη νευρικών κυττάρων οργανωμένων σε δίκτυο που έχουν αναπτύξει πάνω σε μικροσκοπικά κωνικά ικριώματα πυριτίου σμιλευμένα από αχτίνες λέιζερ.

Εικόνα 4: Ανάπτυξη δικτύων νευρικών κυττάρων εξερχόμενων από γάγγλιο εγκεφάλου ποντικιού πάνω σε μικροσκοπικές κωνικές σκαλωσιές πυριτίου, χαμηλής (αριστερά) και υψηλής (δεξιά) τραχύτητας. Σημαντικό εύρημα της Ελληνικής επιστημονικής ομάδας είναι ότι η μοναδικής ακρίβειας μικροχάραξη με αχτίνες λέιζερ επιτρέπει τον έλεγχο του τρόπου μετανάστευσης των νευρώνων. Έτσι ανάλογα με τη μορφολογία των χαραγμένων δομών η αντίστοιχη ανάπτυξη των νευρώνων μπορεί να είναι είτε ισοτροπική προς όλες τις κατευθύνσεις (αριστερά) είτε προσανατολισμένη (δεξιά).

Εικόνα 5: Η δημοσίευση των Ελλήνων επιστημόνων στο κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό για Βιουλικά ‘Biomaterials’.

Εικόνα 6: Mέλη της Ελληνικής ερευνητικής ομάδας: (Πάνω, από τα αριστερά προς ττα δεξιά) Σήφης Πεδιαδιτάκης, Γιάννης Χαραλαμπόπουλος, Αχιλλέας Γραβάνης, Χαρά Σιμιτζή, Αλεξάνδρα Κουργιαντάκη, Μανώλης Στρατάκης (Κάτω, από τα αριστερά προς τα δεξιά) Ανθή Ρανέλλα, Ειρήνη Αθανασσάκη, Πασχάλης Ευσταθόπουλος