Το 2020, όταν η Jane Baude ξεκινούσε το διδακτορικό της στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα (UC Santa Barbara), βρέθηκε μπροστά σε ένα απρόσμενο εμπόδιο. Λόγω της πανδημίας, ένα βασικό συστατικό που χρειαζόταν για το πείραμά της — το πήκτωμα (gel) καλλιέργειας επιθηλιακών κυττάρων μαστού — δεν θα ήταν διαθέσιμο για σχεδόν έναν χρόνο. Μαζί με τον επιβλέποντά της, καθηγητή Ryan Stowers, αποφάσισαν να στραφούν σε μια νέα κατεύθυνση: να δημιουργήσουν το δικό τους πήκτωμα στο εργαστήριο με βάση τα φύκη.
Αυτός ο πειραματικός δρόμος οδήγησε σε μια καινοτόμο ανακάλυψη. Η ομάδα ανέπτυξε ένα πήκτωμα με βάση φύκη, ικανό να λειτουργήσει ως πλατφόρμα για τη μελέτη των κυττάρων του μαστικού ιστού, τα οποία σχηματίζουν τους γαλακτοπαραγωγούς πόρους και αδένες. Τα ίδια αυτά κύτταρα μπορούν, σε παθολογικές συνθήκες, να μετατραπούν σε καρκινικά.
Ένα πήκτωμα που μιμείται και βελτιώνει τα εμπορικά προϊόντα
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science Advances, δείχνει ότι το νέο πήκτωμα όχι μόνο μιμείται τις δυνατότητες των εμπορικά διαθέσιμων προϊόντων, αλλά προσφέρει και ευελιξία που βοηθά στην καλύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης κυττάρων και περιβάλλοντος.
Με την τροποποίηση των μηχανικών και βιοχημικών ιδιοτήτων του πήκτώματος, οι ερευνητές μπορούν να παρατηρήσουν πώς το περιβάλλον επηρεάζει τη συμπεριφορά των κυττάρων. Αυτό είναι κρίσιμο, καθώς ανοίγει δρόμους για την κατανόηση του πώς τα «γειτονικά» στοιχεία μέσα στο σώμα κατευθύνουν τα κύτταρα προς φυσιολογική ή παθολογική ανάπτυξη.
Όπως σημειώνει ο Stowers: «Το περιβάλλον όπου αναπτύσσεται ένα κύτταρο είναι εξίσου σημαντικό με τη γενετική του. Μπορείς να τοποθετήσεις τα ίδια κύτταρα σε διαφορετικά περιβάλλοντα και να δεις εντελώς διαφορετικές συμπεριφορές — από φυσιολογικές έως επιθετικά κακοήθεις».
Η σημασία των “basement membranes”
Στον ανθρώπινο οργανισμό, τα επιθηλιακά κύτταρα στηρίζονται σε μια πολύ λεπτή πρωτεϊνική μεμβράνη, τη λεγόμενη βασική μεμβράνη (basement membrane), που τα αγκυρώνει στη θέση τους, παρέχοντας δομική στήριξη αλλά και σήματα για τη λειτουργία τους.
Για τους ερευνητές που μελετούν τον καρκίνο του μαστού ή τον φυσιολογικό ιστό στο εργαστήριο, η ύπαρξη ενός ισοδύναμου υποστρώματος είναι απαραίτητη. Μέχρι σήμερα, τα περισσότερα εμπορικά πήκτωματα προέρχονται από όγκους ποντικών, κάτι που δημιουργεί περιορισμούς τόσο ηθικούς όσο και τεχνικούς.
Η νέα προσέγγιση με βάση τα φύκη προσφέρει μια εναλλακτική, με δυνατότητα ελέγχου και προσαρμογής. Όπως εξηγεί ο Stowers: «Αν πρόκειται να σχεδιάσουμε ένα νέο πήκτωμα από την αρχή, μπορούμε να ενσωματώσουμε εξαρχής προσαρμοστικότητα και ευελιξία στο σύστημα».
Σκληρές μεμβράνες και ανάπτυξη όγκων
Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ευρήματα είναι ότι τα κύτταρα αντιδρούν έντονα στη μηχανική σκληρότητα του περιβάλλοντός τους. Έρευνες δείχνουν ότι οι σκληρότερες μεμβράνες συνδέονται με την ανάπτυξη όγκων.
Ο Stowers εξηγεί: «Ο μαστικός αδένας είναι από τους πιο μαλακούς ιστούς στο σώμα. Όμως, καθώς αναπτύσσεται ένας κακοήθης όγκος, αυξάνει σε σκληρότητα. Αυτός είναι και ο λόγος που όταν οι άνθρωποι ψηλαφούν ένα σκληρό ογκίδιο, ανησυχούν και επισκέπτονται τον γιατρό».
Με το νέο πήκτωμα, οι επιστήμονες μπορούν να τροποποιούν το πόσο σκληρό ή μαλακό είναι το υπόστρωμα, ώστε να δουν πώς αλλάζει η συμπεριφορά των κυττάρων και πώς αυτά ίσως οδηγηθούν προς καρκινογένεση.
Νέα ευελιξία και προοπτικές
Η Jane Baude και η ομάδα της χρησιμοποίησαν ένα υπάρχον πήκτωμα από φύκη και πρόσθεσαν συνδυασμούς πεπτιδίων ώστε να μιμηθούν τις ιδιότητες του Matrigel, του πιο διαδεδομένου εμπορικού προϊόντος. Με τροποποιήσεις στη σύνδεση των πολυμερών και στην ακαμψία, μπόρεσαν να κατευθύνουν την ανάπτυξη των κυττάρων με ακρίβεια.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα κύτταρα ανέπτυξαν τις δικές τους βασικές μεμβράνες όταν οι συνθήκες ήταν κατάλληλες. Αντίθετα, όταν δίνονταν λανθασμένα σήματα, παρήγαγαν άλλες πρωτεΐνες και δεν αναπτύσσονταν σωστά.
Η ομάδα οραματίζεται ότι το πήκτωμα αυτό θα μπορούσε μελλοντικά να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για τη μελέτη καρκίνου, αλλά και για την ανάπτυξη πιο σύνθετων ιστών ή και οργάνων από κύτταρα ασθενών, ανοίγοντας τον δρόμο για την αναγεννητική ιατρική.
Η ανακάλυψη ενός συνθετικού πήκτωματος με βάση τα φύκη δεν αποτελεί απλώς μια λύση ανάγκης λόγω πανδημίας, αλλά ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση της σχέσης κυττάρων και περιβάλλοντος. Με την προσαρμοστικότητα που προσφέρει, δίνει στους επιστήμονες τη δυνατότητα να εξερευνήσουν πώς οι φυσικές ιδιότητες του ιστού επηρεάζουν την ανάπτυξη και πιθανή καρκινογένεση.
Όπως δήλωσε ο Stowers: «Εφαρμόζοντας μια μηχανική προσέγγιση στη βιολογία της ανάπτυξης, μπορούμε να καθοδηγήσουμε τον σχηματισμό πολύπλοκων, λειτουργικών ιστών. Ελπίζουμε ότι αυτή η δουλειά θα οδηγήσει σε νέες θεραπείες και σε βαθύτερη κατανόηση του καρκίνου».
