“Μίνι” πνεύμονες εργαστηρίου φέρνουν επανάσταση στην μελέτη των αναπνευστικών ασθενειών, όπως η COVID-19

Τα δεδομένα που λαμβάνονται από τους ιστούς των πνευμόνων ασθενών παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές από το ένα άτομο στο άλλο, επισκιάζοντας τους θεμελιώδεις μηχανισμούς που κρύβονται πίσω από την αρχική μόλυνση των πνευμονικών κυττάρων από τον SARS-CoV-2.

Για να αντιμετωπίσουν αυτή την πρόκληση, ερευνητές στράφηκαν σε προηγμένη τεχνολογία ικανή να καλλιεργεί μικροσκοπικά όργανα σε μικροτσίπ.

Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου Ροκφέλερ, Ali Brivanlou και Charles M. Rice, έχουν αναπτύξει από κοινού μια τεχνολογική πλατφόρμα κυτταροκαλλιέργειας. Αυτή η καινοτομία διευκολύνει την ανάπτυξη γενετικά πανομοιότυπων θυλάκων πνευμόνων, εμβρυϊκών δομών που δημιουργούν τα αναπνευστικά μας όργανα, από ανθρώπινα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα (hESCs). Η ανακάλυψη τους παρουσιάστηκε πρόσφατα στο Stem Cell Reports.

Τοποθετώντας αυτούς τους πνευμονικούς θύλακες σε μια σειρά από μικροτσίπ και υποβάλλοντάς τους σε ένα προσαρμοσμένο μείγμα μορίων σηματοδότησης, τα hESC αυτοοργανώνονται γρήγορα σε “μικροπνεύμονες” που διαθέτουν πλήρη πολυπλοκότητα ιστού. Με την ικανότητα καλλιέργειας χιλιάδων από αυτούς τους θύλακες, μπορεί να επιτευχθεί μια απαράμιλλη ανάλυση υψηλής απόδοσης της μόλυνσης του πνευμονικού ιστού.

Κατά συνέπεια, αυτή η προσέγγιση παρέχει απεριόριστη, ταχεία και κλιμακούμενη πρόσβαση στον ανθρώπινο πνευμονικό ιστό που χαρακτηρίζεται από τα βασικά χαρακτηριστικά της ανάπτυξης των πνευμόνων. Μπορεί να αξιοποιηθεί για την παρακολούθηση λοιμώξεων των πνευμόνων και τον εντοπισμό πιθανών θεραπευτικών ουσιών, χωρίς να παρεμποδίζεται από τις παραλλαγές από ασθενή σε ασθενή.

“Αυτοί οι πνεύμονες είναι ουσιαστικά γενετικοί κλώνοι”, εξηγεί ο Ali Brivanlou. «Μοιράζονται ακριβώς το ίδιο σχέδιο DNA. Αυτό διασφαλίζει τη συνέπεια στις γενετικές πληροφορίες στα δείγματα και διευκολύνει την μέτρηση της κύριας μεταβλητής, δηλαδή του ιού”.

Ενίσχυση της ανάπτυξης μίνι πνευμόνων στο εργαστήριο

Τα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα χρησιμεύουν ως τα θεμελιώδη κύτταρα του ανθρώπινου σώματος. Μπορούν να διαιρούνται συνεχώς για να δημιουργήσουν περισσότερα βλαστοκύτταρα ή να διαφοροποιηθούν σε διάφορους ιστούς. Το Εργαστήριο Συνθετικής Βιολογίας του Brivanlou διερευνά εδώ και καιρό τις πιθανές εφαρμογές τους.

Κατά τη διάρκεια της πανδημίας COVID-19, οι Brivanlou και Charles M. Rice συνδύασαν την τεχνογνωσία τους. Το εργαστήριο του Rice διέθετε τεχνολογία μικροτσίπ για την ανάπτυξη πνευμονικών θυλάκων,, ενώ η ομάδα του Brivanlou είχε την απαραίτητη άδεια βιοασφάλειας για την μόλυνση αυτών των θυλάκων με SARS-CoV-2 και την μελέτη των αποτελεσμάτων.

Το 2021, οι επικεφαλής συγγραφείς της έρευνας, Edwin Rosado-Olivieri από το εργαστήριο του Brivanlou και Brandon Razooky από το Rice’s Laboratory of Virology and Infectious Disease, άρχισαν να παρακινούν τα κύτταρα σε πιο εξειδικευμένους σχηματισμούς. Τα βλαστοκύτταρα απαιτούν έναν περιορισμένο χώρο, όπως δομές μικροτσίπ και ερεθίσματα για την έναρξη της διαφοροποίησής τους σε συγκεκριμένα όργανα. Τέσσερα βασικά μονοπάτια σηματοδότησης προκαλούν τα βλαστοκύτταρα να γίνουν συγκεκριμένοι τύποι κυττάρων.

Περίπου δύο εβδομάδες αργότερα, η ερευνητική ομάδα είχε αναπτύξει επιτυχώς πανομοιότυπους πνευμονικούς θύλακες με μοριακά προφίλ που μοιάζουν πολύ με εκείνα που παρατηρούνται κατά τα πρώτα στάδια της ανάπτυξης του εμβρυϊκού πνεύμονα. Αυτό περιελάμβανε τον σχηματισμό αεραγωγών και κυψελίδων, δομών που συχνά διακυβεύονται σε σοβαρές περιπτώσεις COVID-19.

Αποκάλυψη ενός ζωτικού παράγοντα

Χρησιμοποιώντας αυτήν την πλατφόρμα, οι ερευνητές εξερεύνησαν το πώς ο SARS-CoV-2 μολύνει διαφορετικά πνευμονικά κύτταρα. Οι κυψελίδες (μικροί σάκοι στους κλάδους του πνεύμονα που είναι υπεύθυνοι για την ανταλλαγή αερίων) βρέθηκαν να είναι πιο ευαίσθητες σε λοιμώξεις από τα κύτταρα των αεραγωγών (φύλακες της άμυνας του πνεύμονα έναντι των εισπνεόμενων απειλών). Οι ερευνητές εντόπισαν επίσης έναν βέλτιστο συνδυασμό πρωτεϊνών σηματοδότησης -αυξητικού παράγοντα κερατινοκυττάρων (KGF) και μορφογενετικής πρωτεΐνης οστών 4 (BMP4)- για την καλλιέργεια ισχυρών παρτίδων πνευμονικών θυλάκων.

Είναι αξιοσημείωτο ότι η οδός BMP είχε διπλή επίδραση. Τόσο σε μολυσμένους πνευμονικούς θύλακες όσο και σε μεταθανάτιο ιστό από ασθενείς με COVID-19, ενεργοποιήθηκε, καθιστώντας τους ιστούς πιο επιρρεπείς στην μόλυνση. Ο αποκλεισμός αυτής της διαδρομής μείωσε την ευπάθεια των πνευμόνων.

Τα μελλοντικά βήματα της νέας τεχνολογίας

Οι ερευνητές τονίζουν τις δυνατότητες της πλατφόρμας στη διερεύνηση μηχανισμών που σχετίζονται με τη γρίπη, τον RSV, τις πνευμονικές ασθένειες, τον καρκίνο του πνεύμονα και πολλά άλλα. Επιπλέον, μπορεί να διευκολύνει τον έλεγχο φαρμάκων για την ανάπτυξη θεραπειών.

Το πεδίο εφαρμογής εκτείνεται πέρα από τους πνεύμονες. Ο Edwin Rosado-Olivieri σημειώνει:

“Η ευρύτερη εστίασή μας είναι η κατανόηση της κυτταρικής ανάπτυξης για τη δημιουργία συνθετικών οργάνων και ιστών για μοντελοποίηση ασθενειών και θεραπευτική ανακάλυψη”.

Το ήπαρ, τα νεφρά και το πάγκρεας είναι επίσης κύριοι υποψήφιοι γι’ αυτήν την τεχνολογία.

Ο Brivanlou υπογραμμίζει την ετοιμότητα της πλατφόρμας να αντιμετωπίσει και μελλοντικές πανδημίες με αυξημένη ταχύτητα και ακρίβεια. Μπορεί να καταστήσει γρήγορα ορατούς τους ιούς και να επιταχύνει την ανάπτυξη θεραπείας, περιλαμβάνοντας φάρμακα, ενώσεις, εμβόλια, μονοκλωνικά αντισώματα και πολλά άλλα, απευθείας στον ανθρώπινο ιστό. Αυτή η τεχνολογία είναι έτοιμη να αντιμετωπίσει διάφορες απειλές που μπορεί να προκύψουν στο μέλλον.

Πηγή: https://www.rockefeller.edu

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ

Πνευμονικό οίδημα ή εμφύσημα; Τα συμπτώματα που πρέπει να διακρίνουμε

Τι κάνει το άτμισμα στους πνεύμονες

Αυτή η βιταμίνη είναι απαραίτητη για την υγεία των πνευμόνων – Οι καλύτερες πηγές της

Εκατομμύρια καπνιστές έχουν μυστηριώδη πάθηση των πνευμόνων που δεν είναι ΧΑΠ

φωτό: iStock