3D scaffolds for neural regenerations
Authors: Κόρδας Αντώνης 
Published: November 2023

Οι ιστοί και τα όργανα έχουν απώλεια λειτουργίας εξ'αιτίας ασθενειών, τραυμάτων και εκ γενετής ελαττωμάτων. Το νευρικό σύστημα (ΝΣ) αποτελεί παράδειγμα όπου τέτοιες απώλειες έχουν καταστροφικές συνέπειες στην ποιότητα ζωής. Παρόλο που το ΝΣ έχει αναγεννητική ικανότητα, η αποτελεσματικότητα αυτής δεν είναι τέλεια. Συμβατικές μέθοδοι όπως οι χειρουργικές επεμβάσεις και τα μοσχεύματα έχουν δοκιμαστεί όμως τα μειονεκτήματά τους καθιστούν αναγκαία την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών μεθόδων. Η μηχανική ιστών (ΜΙ) ως πεδίο, στοχεύει στη δημιουργία βιομιμητικών περιβάλλοντων για την αποκατάσταση της λειτουργίας των ιστών. Πιο συγκεκριμένα, η ΜΙ χρησιμοποιεί ικριώματα ως πλατφόρμες για την καλλιέργεια κυττάρων και σε συνδυασμό με αυξητικούς παράγοντες στοχεύει στη δημιουργία λειτουργικών τμημάτων ιστών που θα χρησιμοποιηθούν ως εμφυτεύματα.Παρόλο που η ΜΙ στοχεύει στη δημιουργία εμφυτευμάτων, υπάρχει μια επιστροφή προς τις κυτταρικές σειρές για in vitro πειραματισμούς και την ανάπτυξη in vitro πειραματικών μοντέλων για τη μελέτη ασθενειών του ΝΣ και την εξήγηση καίριων κυτταρικών αποκρίσεων. Οι κυτταρικές σειρές είναι φθηνότερες και με μεγαλύτερη μακροζωία από τα πρωτογενή κύτταρα ενώ παράλληλα μειώνουν τα ηθικά διλήμματα. Για αυτό το λόγο, η χρήση σειρών βλαστοκυττάρων θεωρείται το μέλλον της ΜΙ του ΝΣ. Τα βλαστοκύτταρα έχουν αυτο-ανανεωτική και πολυδύναμη ικανότητα, πράγμα που τα καθιστά ένα πολύ ευέλικτο εργαλείο στη ΜΙ του ΝΣ καθώς μπορούν να διαφοροποιηθούν σε πολλαπλούς κυτταρικούς τύπους, επιτρέποντας την ανάπτυξη πιο πολύπλοκων συστημάτων τα οποία προσομοιάζουν καλύτερα τον ενδογενή ιστό.Ο συνδυασμός της ΜΙ με άλλες τεχνολογίες πάντα υπήρχε ως επιλογή στη ΜΙ του ΝΣ. Καθώς το ΝΣ είναι ένα πολύπλοκο σύστημα, έχουν χρησιμοποιηθεί πολλές στρατηγικές ως προς τη βελτίωση της ΜΙ του ΝΣ. Παραδείγματα αποτελούν οι ηλεκτρικές διεγέρσεις (ΗΔ) των κυττάρων, η χρήση πολλαπλών αυξητικών παραγόντων, η χρήση θεραπευτικών ουσιών για στοχευμένη διανομή φαρμάκων και η χρήση στρες (όπως οι διατμητικές τάσεις) ως προς την επίτευξη συγκεκριμένου κυτταρικού προσανατολισμού όπως στην περίπτωση της κυκλοφορίας του αίματος. Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε η ανάπτυξη καινοτόμων βιομιμητικών περιβάλλοντων ως in vitro πειραματικά μοντέλα με τη χρήση ικριωμάτων ως πλατφόρμες κυτταροκαλλιεργειών για τη μελέτη της νευρικής διαφοροποίησης και την παρακολούθηση κυτταρικών διεργασιών όπως οι αλληλεπιδράσεις κυττάρου-κυττάρου και κυττάρου-ικριώματος. Τα μοντέλα παρέχουν διορατικότητα για τις κυτταρικές αλληλεπιδράσεις και τις πειραματικές συνθήκες πριν την ανάπτυξη εμφυτευμάτων. Ο στόχος επιτυγχάνεται συνδυάζοντας τη ΜΙ μαζί με άλλες στρατηγικές παρέχοντας πληροφορίες για τη νευρική διαφοροποίηση, το σχηματισμό λειτουργικών νευρικών δικτύων και την τύχη των αξόνων εκτιμώντας τη συνεργιστική δράση των δομών και των άλλων ερεθισμάτων που παρέχονται. Πιο συγκεκριμένα, μια πρώτη προσπάθεια έγινε για την κατασκευή μιας καινοτόμας γεωμετρίας η οποία παρείχε το τρισδιάστατο περιβάλλον με συγκεκριμένη τοπογραφία για τις μόνο- και συγκαλλιέργειες γλοιακών Schwann (SW10) και νευρωνικών N2a κυττάρων, ένα δίδυμο που μιμείται το περιφερικό νευρικό σύστημα (ΠΝΣ) αλλά δεν έχει μελετηθεί εκτενώς, πράγμα το οποίο έδωσε μια εξαιρετική εναλλακτική ως προς την κατανόηση ασθενειών του ΠΝΣ και σημαντικών διεργασιών όπως η μυελίνωση, παρέχοντας παράλληλα ένα νέο in vitro πειραματικό μοντέλο για μακροπρόθεσμες καλλιέργειες το οποίο αναδικνύει τη συνεργιστική δράση των συγκαλλιεργειών και της τοπογραφίας προς τη νευρική διαφοροποίηση, την αύξηση του μήκους των αξόνων, της κατευθυντικότητας αυτών και το σχηματισμό λειτουργικών δικτύων.Ως επέκταση, ένα ραβδωτό ικρίωμα με ένα τοπογραφικό στοιχείο χρησιμοποιήθηκε για την καλλιέργεια της νευρικής σειράς NE-4C η οποία υποβλήθηκε σε ΗΔ για να αναπτυχθεί ένα φιλικό προς τα κύτταρα περιβάλλον, το οποίο προσέφερε ένα νέο in vitro πειραματικό μοντέλο για τις ΗΔ των NE-4C κυττάρων. Πειράματα έγιναν για μη διεγερμένες και διεγερμένες καλλιέργειες και παρατηρήθηκαν η διαφοροποίηση, ο σχηματισμός νευρόσφαιρων, η επιμήκυνση των αξόνων και η σύσταση δικτύων. Η συνεργιστική δράση της τοπογραφίας και των ΗΔ υπογραμμίζει την αποτελεσματικότητα του ηλεκτρικά διεγερμένου περιβάλλοντος και την αποδοτικότητα ως πειραματικό εργαλείο για τη μελέτη του κεντρικού νευρικού συστήματος (ΚΝΣ). Τα πειραματικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν μελετούν τις αλληλεπιδράσεις κυττάρου-κυττάρου και κυττάρου-ικριώματος κάτω από διάφορες πειραματικές συνθήκες και ερεθίσματα, προάγουν τη νευρική δραστηριότητα και διαφοροποίηση, ευνοούν το σχηματισμό λειτουργικών δικτύων και δείχνουν τη συνεργιστική δράση των ικριωμάτων και άλλων ερεθισμάτων. Κάποια στοιχεία των πειραματικών μοντέλοων είναι δυνατόν να συνδυαστούν, υπογραμμίζοντας την ευελιξία τους. Αναμένεται ότι τα μοντέλα θα προσφέρουν νέες in vitro επιλογές και με επιπλέον βελτιστοποίηση θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μοντέλα για την ανάπτυξη εμφυτευμάτων.