Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να αποκαταστήσουμε τη λειτουργία ενός κυτταρικού οργανιδίου απλώς ανάβοντας ένα φως;
Όχι με ηλεκτρόδια ή με επέμβαση στο DNA του. Απλά με φως.
Αυτό ακριβώς προσπαθούν να πετύχουν ερευνητές με μια νέα τεχνολογία που χρησιμοποιεί νανοσωματίδια, τα οποία μπορούν να εισχωρήσουν στα κύτταρα και να προκαλέσουν μια σειρά από αντιδράσεις ενεργοποιώντας το κύτταρο, όταν φωτιστούν.
«Η ιδέα είναι να λειτουργούν σαν ένα τεχνητό “νανο-ηλιακό πάνελ” μέσα ή δίπλα σε κύτταρα», εξηγεί στο WIRED Greece, ο Έλληνας Καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και Νανο-επιστήμης του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης και επισκέπτης καθηγητής στην Ιατρική σχολή του Χάρβαρντ, Νίκος Χατζάκης, ο οποίος συμμετείχε στη μελέτη.
Και μπορεί η ιδέα της προτεινόμενης τεχνολογίας να ακούγεται απλή, ο μηχανισμός της όμως, είναι αρκετά εντυπωσιακός. Και το πιο ενδιαφέρον είναι ότι η έμπνευση δεν ήρθε από κάποιο ηλεκτρονικό κύκλωμα, αλλά από κάτι που κάνει η φύση εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια: τη φωτοσύνθεση.
Το υλικό που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες ονομάζεται γραφιτικό νιτρίδιο του άνθρακα, ή g-C₃N₄. και, όπως αναφέρουν στη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Biomedical Engineering, το μετέτρεψαν σε κοίλα νανοσωματίδια με διάμετρο περίπου 300 νανόμετρα δηλαδή, 300 δισεκατομμυριοστά του μέτρου (για να γίνει αντιληπτό το μέγεθος, μια ανθρώπινη τρίχα έχει πάχος περίπου 50.000–100.000 νανόμετρα).
Τα συγκεκριμένα σωματίδια είναι λοιπόν πραγματικά ‘αόρατα’.
Η κοίλη κατασκευή τους έχει έναν συγκεκριμένο σκοπό, να παγιδεύει καλύτερα το φως και σύμφωνα με τη μελέτη, η συγκεκριμένη μορφή του υλικού μπορεί να απορροφά περίπου τρεις φορές περισσότερο φως από το συμβατικό υλικό στην περιοχή που εξετάστηκε.
Όταν το φως χτυπά το νανοσωματίδιο, δεν εξαφανίζεται απλώς, αλλά ενεργοποιεί μια σειρά από χημικές αντιδράσεις.
Και αυτές οι αντιδράσεις μπορούν να «μιλήσουν» στη βιολογία του κυττάρου.
Το σημαντικότερο κομμάτι της τεχνολογίας είναι αυτό που συμβαίνει μετά την απορρόφηση του φωτός.
Τα νανοσωματίδια προκαλούν την παραγωγή δραστικών μορφών οξυγόνου, γνωστών ως ROS, τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν ως σήματα μέσα στο κύτταρο.
Ένα από τα αποτελέσματα της δράσης τους για παράδειγμα, είναι η απελευθέρωση ασβεστίου.
Το ασβέστιο μπορεί να φαίνεται σαν κάτι τελείως συνηθισμένο, αλλά είναι ένα από τα βασικά «μηνύματα» που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για να επικοινωνούν και να ενεργοποιούνται.
Έτσι οι ερευνητές δημιούργησαν μια αλυσίδα που ξεκινά από το φως και καταλήγει στην ενεργοποίηση του κυττάρου. Με άλλα λόγια, το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας τρόπος ελέγχου μιας βιολογικής διαδικασίας.
Οι ερευνητές κατάφεραν μάλιστα να φωτίσουν ένα μεμονωμένο νανοσωματίδιο μέσα σε ένα κύτταρο και να προκαλέσουν τοπική απόκριση ασβεστίου, χωρίς να χρειαστεί να φωτιστεί ολόκληρο το κύτταρο.
Αυτό είναι σημαντικό, γιατί όσο πιο μικρή είναι η περιοχή που μπορεί να ελεγχθεί, τόσο πιο ακριβής μπορεί να γίνει μια εφαρμογή μελλοντικά.
«Κατανοήσαμε τον τρόπο με τον οποίο τα νανοσωματίδια εισέρχονται στα κύτταρα, πόσα προσλαμβάνονται και σε ποια κυτταρικά οργανίδια καταλήγουν και αυτό είναι αξιόλογο», προσθέτει ο καθηγητής.
Η καρδιά είναι ουσιαστικά ένας τεράστιος ηλεκτροφυσιολογικός μηχανισμός.
Τα κύτταρά της πρέπει να ενεργοποιούνται με σωστό χρονισμό ώστε ο μυς να συστέλλεται και να χαλαρώνει ξανά και ξανά.
Οι ερευνητές τοποθέτησαν τα νανοσωματίδια σε καρδιακά κύτταρα στο εργαστήριο, τα φώτισαν και διαπίστωσαν ότι τα κύτταρα μπορούσαν να ενεργοποιηθούν. Ακόμη πιο ενδιαφέρον ήταν ότι το σήμα μπορούσε να περάσει από ένα κύτταρο στα γειτονικά του. Έτσι, η διέγερση δεν περιορίστηκε σε ένα μόνο κύτταρο.
Και δεν χρειάστηκε ένα πανίσχυρο λέιζερ.
Σε εργαστηριακά πειράματα οι ερευνητές χρησιμοποίησαν LED χαμηλής έντασης για να προκαλέσουν και να συγχρονίσουν τη δραστηριότητα των καρδιακών κυττάρων.
Οι επιστήμονες εκτιμούν πως πρόκειται για ένα μικρό αλλά σημαντικό βήμα προς μια διαφορετική ιδέα για τα βιοηλεκτρονικά, υποδεικνύοντας ένα σύστημα που μπορεί να επηρεάζει τη λειτουργία του σώματος χωρίς να χρειάζεται ένα κλασικό ηλεκτρόδιο να ακουμπά πάνω στον ιστό.
«Αυτό δεν σημαίνει ότι δημιουργήθηκε ένας νέος βηματοδότης για ανθρώπους. Η συγκεκριμένη έρευνα βρίσκεται ακόμη σε πειραματικό στάδιο», διευκρινίζει ο Καθηγητής Χατζάκης.
Οι ερευνητές πειραματίστηκαν με ποντίκια με σοβαρή εκφύλιση του αμφιβληστροειδούς, ένα μοντέλο που χρησιμοποιείται για τη μελέτη της μελαγχρωστικής αμφιβληστροειδοπάθειας. Σε αυτές τις περιπτώσεις, τα κύτταρα που φυσιολογικά ανιχνεύουν το φως έχουν καταστραφεί σε μεγάλο βαθμό.
Η βασική ερώτηση που έθεσαν ήταν απλή: Αν τα φυσικά «αισθητήρια» του ματιού δεν λειτουργούν, μπορεί άραγε να εισαχθεί στο μάτι ένα τεχνητό ενδιάμεσο σύστημα που θα μετατρέπει ξανά το φως σε σήμα;
Έτσι, τα νανοσωματίδια χορηγήθηκαν στον υαλοειδή χώρο του ματιού.
Σε ορισμένα από τα ζώα, οι ερευνητές κατέγραψαν αποκρίσεις στον οπτικό φλοιό όταν τα μάτια δέχονταν φως, καθώς και συμπεριφορικές αντιδράσεις.
Αυτό είναι σημαντικό επειδή σε ορισμένες μορφές τύφλωσης οι φωτοϋποδοχείς του ματιού έχουν καταστραφεί. Η ιδέα εδώ είναι να παρακαμφθεί μέρος αυτού του προβλήματος και να ενεργοποιηθούν άλλα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς.
Σε ένα ακόμη πείραμα οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ιστό αμφιβληστροειδούς χοίρου έξω από το σώμα. Εκεί, τα νανοσωματίδια, όταν αυτά φωτίζονταν, μπορούσαν να ενεργοποιήσουν γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς.
Αυτό είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον επειδή τα συγκεκριμένα κύτταρα βρίσκονται πιο κοντά στην «έξοδο» του οπτικού συστήματος, από εκεί ξεκινά το σήμα το οποίο ταξιδεύει μέσω του οπτικού νεύρου προς τον εγκέφαλο.
Οι ερευνητές διευκρινίζουν ότι δεν βρέθηκε μια θεραπεία για την τύφλωση — τουλάχιστον όχι ακόμη
Φυσικά, δεν υπάρχει σήμερα κάποιος τρόπος να χορηγηθεί μια τέτοια ένεση σε έναν άνθρωπο και να του αποκαταστήσει την όραση.
Τα πειράματα έγιναν σε κύτταρα, εργαστηριακούς ιστούς και ποντίκια. Και ακόμη και στα πειράματα με τα ζώα, οι αποκρίσεις δεν εμφανίστηκαν σε όλα τα μάτια που έλαβαν τα νανοσωματίδια.
Υπάρχουν επίσης σημαντικά ερωτήματα για τη μακροχρόνια ασφάλεια.
Τα ROS για παράδειγμα, είναι μέρος του μηχανισμού που βοηθά στην ενεργοποίηση των κυττάρων, αλλά σε μεγαλύτερες ποσότητες μπορούν να προκαλέσουν κυτταρική βλάβη.
Βέβαια, οι ερευνητές δεν βρήκαν σημαντική κυτταροτοξικότητα στις συνθήκες των πειραμάτων τους. Αυτό όμως δεν αρκεί για να γνωρίζουν τι θα συμβεί ύστερα από μήνες ή χρόνια μέσα σε έναν ανθρώπινο οργανισμό.
Ωστόσο, η μελέτη έχει σημασία επειδή η τεχνολογία προτείνει έναν διαφορετικό τρόπο σύνδεσης του ηλεκτρισμού με τη βιολογία.
Σήμερα, όταν θέλουμε να επηρεάσουμε την ηλεκτρική δραστηριότητα του σώματος, συχνά σκεφτόμαστε ηλεκτρόδια, εμφυτεύματα και καλώδια.
Εδώ φαίνεται και μια άλλη δυνατότητα, η χρήση του φωτός.
«Τα νανοσωματίδια λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί μετατροπείς, οι οποίοι παίρνουν ένα φωτεινό ερέθισμα και το μετατρέπουν σε ένα σήμα που μπορεί να καταλάβει ένα ζωντανό κύτταρο. Και αυτό θα μπορούσε να έχει εφαρμογές πολύ πέρα από την όραση», προσθέτει ο Έλληνας επιστήμονας.
«Ίσως στην καρδιά. Ίσως στο νευρικό σύστημα. Ίσως σε άλλους ιστούς όπου θέλουμε να ελέγχουμε τη δραστηριότητα των κυττάρων με μεγαλύτερη ακρίβεια. Με αυτή την τεχνολογία μπορούμε να ελέγξουμε τη διαδικασία και να ελαχιστοποιήσουμε τις παρενέργειες. Προς το παρόν, όλα αυτά είναι ερευνητικές υποθέσεις που διερευνώνται και ενώ δεν είναι σε καμιά περίπτωση έτοιμες θεραπείες, μπορεί να καταλήξουν σε θεραπείες».
Με την εγγραφή σας, συμφωνείτε με τους Όρους Χρήσης μας (συμπεριλαμβανομένης της παραίτησης από ομαδικές αγωγές και των διατάξεων διαιτησίας) και αναγνωρίζετε την Πολιτική Απορρήτου μας.
