Σε μια συναρπαστική εξέλιξη που γεφυρώνει τη διαστημική εξερεύνηση και τη νευροεπιστήμη, επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα αναπτύσσονται διαφορετικά στο περιβάλλον μικροβαρύτητας του διαστήματος σε σχέση με τη Γη. Αν και γνωρίζαμε εδώ και καιρό ότι η μικροβαρύτητα επηρεάζει τους μύες, τα οστά, το ανοσοποιητικό σύστημα και τη γνωστική λειτουργία, το τι συμβαίνει στον εγκέφαλο ήταν ένα μεγάλο ερωτηματικό - μέχρι τώρα.
Η έρευνα αυτή ρίχνει φως στο πώς προσαρμόζεται ο ανθρώπινος εγκέφαλος κατά τη διάρκεια διαστημικών ταξιδιών και ανοίγει νέους δρόμους για τη μελέτη νευρολογικών παθήσεων όπως το Πάρκινσον και η πολλαπλή σκλήρυνση.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Stem Cells Translational Medicine, καταγράφει την πρώτη επιτυχημένη ανάπτυξη και ανάλυση μοντέλων ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού — γνωστά ως νευρικά οργανοειδή — στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS). Αυτοί οι τρισδιάστατοι σχηματισμοί εγκεφαλικών κυττάρων, με διάμετρο λίγων εκατοντάδων μικρομέτρων, πέρασαν 30 ημέρες σε τροχιά περίπου 400 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης, σε συνθήκες μικροβαρύτητας.
Πώς φτιάχτηκαν οι “μικροεγκέφαλοι”
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ανθρώπινα επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (iPSCs) — ενήλικα κύτταρα που “προγραμματίστηκαν εκ νέου” για να αποκτήσουν την ικανότητα να εξελίσσονται σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Δημιούργησαν δύο ξεχωριστές ποικιλίες νευρικών οργανοειδών: μία με κύτταρα που μοιάζουν με αυτά του φλοιού του εγκεφάλου (την εξωτερική στοιβάδα που σχετίζεται με τη σκέψη και τη μνήμη) και μία με νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη (τους νευρώνες που πλήττονται στο Πάρκινσον).
Η μελέτη περιλάμβανε κύτταρα από τέσσερα άτομα: δύο υγιείς δότες και δύο ασθενείς με νευρολογικές παθήσεις (έναν με Πάρκινσον και έναν με πρωτοπαθή προϊούσα πολλαπλή σκλήρυνση).
Επιπλέον, για να κάνουν τα μοντέλα πιο ρεαλιστικά, πρόσθεσαν ανοσοκύτταρα που ονομάζονται μικρογλοία στα μισά από τα οργανοειδή, ώστε να παρατηρήσουν πώς λειτουργεί το ανοσοποιητικό σύστημα του εγκεφάλου στο διάστημα.
Καινοτόμες μέθοδοι
Η πρόκληση ήταν η διατήρηση αυτών των ευαίσθητων δομών κατά τη διάρκεια της διαστημικής αποστολής. Συνήθως, τα οργανοειδή αναπτύσσονται σε υγρό πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά, το οποίο πρέπει να αλλάζει τακτικά για να αφαιρούνται τα απόβλητα και να προστίθενται θρεπτικά συστατικά. Για να αποφύγουν τη συνεχή εργαστηριακή παρέμβαση στον ISS, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μέθοδο καλλιέργειας μικρότερων οργανοειδών μέσα σε κρυοφιαλίδια — μικρά, αεροστεγή δοχεία σχεδιασμένα για βαθιά κατάψυξη. Κάθε οργανοειδές τοποθετήθηκε σε φιαλίδιο με ένα χιλιοστόλιτρο ειδικά διαμορφωμένου θρεπτικού υλικού.
Τα οργανοειδή προετοιμάστηκαν σε εργαστήρια στο Kennedy Space Center και εκτοξεύτηκαν στον ISS μέσα σε έναν μικροσκοπικό εκκολαπτήρα. “Το γεγονός ότι αυτά τα κύτταρα επιβίωσαν στο διάστημα ήταν μια μεγάλη έκπληξη”, σχολίασε η Jeanne Loring, PhD, καθηγήτρια μοριακής ιατρικής και ιδρύτρια του Κέντρου Αναγεννητικής Ιατρικής στο Scripps Research.
Τα εκπληκτικά αποτελέσματα
Όταν τα οργανοειδή επέστρεψαν στη Γη, οι ερευνητές παρατήρησαν αξιοσημείωτες διαφορές σε σχέση με τα αντίστοιχα που είχαν παραμείνει στη Γη. “Ανακαλύψαμε ότι και στους δύο τύπους οργανοειδών, το προφίλ της γονιδιακής έκφρασης ήταν χαρακτηριστικό ενός πιο ώριμου σταδίου ανάπτυξης από αυτά που παρέμειναν στη Γη”, εξηγεί η Loring. “Αναπτύχθηκαν ταχύτερα, αλλά είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι αυτά δεν ήταν ενήλικοι νευρώνες, οπότε δεν μπορούμε να πούμε κάτι για τη γήρανση.”
Όταν τοποθετήθηκαν ξανά σε εργαστηριακά πιάτα, τα διαστημικά κύτταρα έδειξαν ζωντάνια, επεκτείνοντας δίκτυα ινών που ονομάζονται νευρίτες. Απροσδόκητα, δεν υπήρχαν σχεδόν καθόλου ενδείξεις κυτταρικού στρες ή φλεγμονής — στην πραγματικότητα, τα οργανοειδή που αναπτύχθηκαν στο διάστημα είχαν λιγότερη φλεγμονή και χαμηλότερη έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με το στρες, σε σύγκριση με αυτά της Γης.
Η έρευνα αποκάλυψε επίσης αλλαγές στις κυτταρικές επικοινωνίες, ειδικά στη σηματοδότηση Wnt, που παίζει βασικό ρόλο στην ανάπτυξη του εγκεφάλου. Επιπλέον, παρατηρήθηκαν αλλαγές στις πρωτεΐνες που εκκρίνονται από τα κύτταρα στο περιβάλλον τους, αν και αυτές οι αλλαγές διέφεραν μεταξύ των διαφορετικών τύπων οργανοειδών.
Γιατί, λοιπόν, τα εγκεφαλικά κύτταρα αναπτύσσονται διαφορετικά στο διάστημα; “Τα χαρακτηριστικά της μικροβαρύτητας επηρεάζουν πιθανώς και τους εγκεφάλους των ανθρώπων, επειδή δεν υπάρχει μεταφορά με ρεύματα — με άλλα λόγια, τίποτα δεν κινείται,” εξηγεί η Loring.
“Στο διάστημα, αυτά τα οργανοειδή είναι πιο κοντά στον πραγματικό εγκέφαλο, γιατί δεν ξεπλένονται από τόνους καλλιεργητικού υλικού ή οξυγόνου. Είναι πιο ανεξάρτητα. Δημιουργούν κάτι σαν έναν μικρόκοσμο του εγκεφάλου.”
Από το διάστημα στη θεραπεία νευρολογικών παθήσεων
Αυτά τα ευρήματα προσφέρουν πολύτιμες πληροφορίες τόσο για τη διαστημική εξερεύνηση, όσο και για πιθανές ιατρικές εφαρμογές. Κατανοώντας πώς τα εγκεφαλικά κύτταρα ανταποκρίνονται στη μικροβαρύτητα, μπορούμε να αναπτύξουμε στρατηγικές για τη διατήρηση της υγείας των αστροναυτών κατά τη διάρκεια μακροχρόνιων αποστολών. Παράλληλα, η μελέτη αυτών των διαφορών μπορεί να μας δώσει νέες προοπτικές για τη διερεύνηση νευρολογικών παθήσεων στη Γη.
Η αρχική αυτή επιτυχία άνοιξε τον δρόμο για συνεχιζόμενη έρευνα. Από την πρώτη αυτή αποστολή και πριν ακόμη δημοσιευθούν τα αποτελέσματα, η ερευνητική ομάδα έχει ολοκληρώσει τέσσερις ακόμη αποστολές στον ISS, κάθε μία από τις οποίες βασίζεται στα αρχικά ευρήματα, προσθέτοντας νέες πειραματικές συνθήκες.
Μελλοντικές μελέτες θα εξετάσουν περιοχές του εγκεφάλου που επηρεάζονται από τη νόσο Αλτσχάιμερ και θα διερευνήσουν πιθανές διαφορές στις συνδέσεις των νευρώνων στο διάστημα.
“Με τέτοιες μελέτες, δεν μπορείς να βασιστείς σε προηγούμενη δουλειά για να προβλέψεις το αποτέλεσμα, γιατί δεν υπάρχει προηγούμενη δουλειά,” παρατηρεί η Loring. “Είμαστε στον ισόγειο, κατά κάποιον τρόπο — στον ουρανό, αλλά στον ισόγειο”.
Εικόνα: Image by vecstock @ freepik.com
