ΙΤΕ: Στον δρόμο για την «αποκρυπτογράφηση» της γήρανσης

Στην αποκάλυψη ενός νέου, θεμελιώδη μοριακού μηχανισμού που λειτουργεί στα κύτταρα για τη διαφύλαξη της ακεραιότητας και της λειτουργίας του πυρήνα και ρυθμίζει τη σωματική καθώς και την αναπαραγωγική γήρανση, προχώρησαν ερευνητές του Ινστιτούτου Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας (ΙΜΒΒ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), μέσω της οποίας στοχεύουν στην πρώιμη διάγνωση και έγκαιρη πρόληψη, με μεθόδους ιατρικής ακριβείας ή εξατομικευμένης ιατρικής, της εμφάνισης νευροεκφυλιστικών νοσημάτων και συγκεκριμένων μορφών καρκίνου στον άνθρωπο.

Μιλώντας στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο πρόεδρος του ΙΤΕ, και καθηγητής της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Κρήτης, Νεκτάριος Ταβερναράκης, χαρακτήρισε ως ένα από τα πιο συναρπαστικά αινίγματα της σύγχρονης βιοϊατρικής έρευνας, την κατανόηση της μοριακής βάσης δύο εκ διαμέτρου αντίθετων, θεμελιωδών φαινομένων στη βιολογία, που δεν είναι άλλες από την «θνητότητα του σώματος και την αθανασία της λεγόμενης βλαστικής κυτταρικής σειράς», δηλαδή των κυττάρων του γεννητικού συστήματος που εξασφαλίζουν την αναπαραγωγή.

«Η πρόσφατη έρευνα του εργαστηρίου μας στο Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας (ΙΜΒΒ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), τα αποτελέσματα της οποίας δημοσιεύονται στο έγκριτο διεθνές επιστημονικό περιοδικό Nature Aging, αποκάλυψε έναν νέο, θεμελιώδη μοριακό μηχανισμό που λειτουργεί στα κύτταρα για τη διαφύλαξη της ακεραιότητας και της λειτουργίας του πυρήνα, και ρυθμίζει τη σωματική καθώς και την αναπαραγωγική γήρανση.

Η προοπτική της αποκάλυψης του μηχανισμού που είναι υπεύθυνος για αυτό τον έντονα ιδιοσυγκρασιακό χαρακτήρα των κυτταρικών τύπων, μέσα στον ίδιο οργανισμό, αποτέλεσε για εμάς ισχυρό κίνητρο για να προσπαθήσουμε να δώσουμε απάντηση σ’ αυτό το σημαντικό ερώτημα» ανέφερε ο κ. Ταβερναράκης που πρόσθεσε ότι, με βάση αυτό, στο ΙΜΒΒ αποφάσισαν να επικεντρωθούν στη μορφολογία του πυρήνα, η οποία επιδεινώνεται στα σωματικά κύτταρα κατά τη γήρανση, ενώ, αντίθετα, παραμένει αναλλοίωτη στη βλαστική κυτταρική σειρά.

«Η υπόθεση που κάναμε ήταν ότι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός ομοιοστατικός μηχανισμός διατηρεί τη δομή του πυρήνα των γεννητικών κυττάρων, ενώ αποτυγχάνει να κάνει το ίδιο στα σωματικά κύτταρα του οργανισμού, κατά τη γήρανση. Με έκπληξη διαπιστώσαμε ότι μια ειδική διαδικασία αυτοφαγίας, η πυρηνοφαγία, αποτελεί κεντρικό παράγοντα διατήρησης της αρχιτεκτονικής του πυρήνα, ανακυκλώνοντας πυρηνικό υλικό, ενώ δρα περιοριστικά στην αύξηση του μεγέθους του πυρηνίσκου, που παρατηρείται κατά τη γήρανση.

Η πυρηνοφαγία είναι μια διαδικασία που επιδιορθώνει βλάβες που συμβαίνουν στον πυρήνα του κυττάρου, ο οποίος περιέχει όλη τη γενετική πληροφορία, δηλαδή το DNA» επισήμανε ο κ. Τανβερναράκης, διευκρινίζοντας ότι «σε μελέτες που έγιναν σε πειραματόζωα, στα οποία η πυρηνοφαγία είχε κατασταλεί, παρατηρήσαμε φαινόμενα πρόωρης γήρανσης και μειωμένης αναπαραγωγικής ικανότητας, ενώ αντίθετα, γενετικές ή φαρμακολογικές παρεμβάσεις ενίσχυσης της πυρηνοφαγίας, καθιστώντας την δηλαδή πιο αποτελεσματική, έχουν ως αποτέλεσμα την επιμήκυνση της διάρκειας ζωής του οργανισμού». Με αυτό ως βάση, όπως επισήμανε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο πρόεδρος του ΙΤΕ, αποτελεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ερευνητές ότι «η ίδια η πυρηνοφαγία ρυθμίζεται από σηματοδοτικά μονοπάτια και παρεμβάσεις, όπως εκείνα της ινσουλίνης και του θερμιδικού περιορισμού, που καθορίζουν τη διάρκεια ζωής σε πολλούς, διαφορετικούς οργανισμούς, από τους νηματώδεις έως τα θηλαστικά» και πως «αυτό αναδεικνύει την κομβική θέση της πυρηνοφαγίας, ως σημείου σύγκλισης των μοριακών και κυτταρικών διεργασιών που επηρεάζουν τη γήρανση».

Η μελέτη ωστόσο έφερε στο φως ακόμη μία σημαντική γνώση που σχετίζεται με τα γονίδια τα οποία επηρεάζουν τη διαδικασία της επιδιόρθωσης βλαβών στον πυρήνα του κυττάρου και είναι συνυφασμένα με την καρκινογένεση, δηλαδή την εμφάνιση καρκίνου στον άνθρωπο.

«Είναι ιδιαίτερα σημαντικό ότι άνθρωποι που πάσχουν από καρκίνο των αναπαραγωγικών οργάνων, όπως ο καρκίνος των ωοθηκών στις γυναίκες, εμφανίζουν μεταλλάξεις στα γονίδια αυτά. Ουσιαστικά, η έρευνα αυτή, συνδέει, για πρώτη φορά, δυο βιολογικά φαινόμενα τα οποία θεωρούνταν εντελώς διαφορετικά. Από τη μια, την επιδιόρθωση βλαβών στον πυρήνα του κυττάρου, την πυρηνοφαγία, και από την άλλη, τη γήρανση και την καρκινογένεση» ανέφερε μιλώντας στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο κ. Ταβερναράκης, επεξηγώντας ότι εντοπίστηκαν συγκεκριμένα γονίδια που ρυθμίζουν από κοινού αυτές τις διεργασίες.

«Ελπίζουμε ότι η νέα αυτή γνώση θα οδηγήσει στην πρώιμη διάγνωση και έγκαιρη πρόληψη, με μεθόδους ιατρικής ακριβείας ή εξατομικευμένης ιατρικής, της εμφάνισης νευροεκφυλιστικών νοσημάτων και συγκεκριμένων μορφών καρκίνου στον άνθρωπο» τόνισε ο πρόεδρος του ΙΤΕ, ο οποίος ανέφερε ότι «τα αποτελέσματα της έρευνάς μας αναδεικνύουν την πυρηνοφαγία ως έναν κεντρικό μοριακό μηχανισμό, μέσω του οποίου εξασφαλίζεται η μακροπρόθεσμη διατήρηση της πυρηνικής αρχιτεκτονικής και ομοιόστασης. Τα ευρήματα αυτά αναμένεται ότι θα αξιοποιηθούν για την αντιμετώπιση νοσημάτων, τα οποία χαρακτηρίζονται από κατάρρευση της αρχιτεκτονικής του πυρήνα, αλλά και της ανθρώπινης υπογονιμότητας».

Όπως είπε ο κ. Ταβερναράκης μελέτη που δημοσιεύθηκε είναι αποτέλεσμα πενταετούς ερευνητικής προσπάθειας, η οποία, εξακολουθεί να είναι σε εξέλιξη καθώς εκτός από πολύ ενδιαφέρον βιολογικό φαινόμενο, όπως τόνισε, η γήρανση αποτελεί ένα πεδίο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας, με εργαστήρια και βιοϊατρικά ινστιτούτα σε όλο τον κόσμο να μελετούν τους μοριακούς και κυτταρικούς μηχανισμούς που είναι υπεύθυνοι για την ίδια τη γήρανση αλλά και τις συνέπειές της στην ανθρώπινη υγεία.

 «Η δική μας έρευνα στο Εργαστήριο Νευρογενετικής και Γήρανσης του Ινστιτούτου Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας του ΙΤΕ, εστιάζεται στη μελέτη των μοριακών μηχανισμών που διέπουν τη λειτουργία και την παθοφυσιολογία του νευρικού συστήματος. Ως πειραματικό υλικό, χρησιμοποιούμε κυρίως το νηματώδη Caenorhabditis elegans, και οι στόχοι της έρευνας του εργαστηρίου μας προσανατολίζονται σε τρεις κύριες κατευθύνσεις. Η πρώτη αφορά την εξέλιξη της γήρανσης, όχι μόνο του ανθρώπου αλλά όλων των έμβιων οργανισμών.

Η δεύτερη είναι η μελέτη του νευροεκφυλισμού που ασχολείται με νοσήματα όπως το Alzheimer’ s και το Parkinson’ s. Η τρίτη σχετίζεται με τη λειτουργία του νευρικού συστήματος, και συγκεκριμένα με το πώς μπορεί ο οργανισμός να αποθηκεύει και να ανακαλεί μια πληροφορία (μνήμη και μάθηση)» ανέφερε ο κ. Ταβερναράκης, ο οποίος επισήμανε ότι «με τις επιστημονικές του μελέτες, το εργαστήριο έχει συμβάλει σημαντικά στην κατανόηση των μηχανισμών νευροεκφυλισμού, μνήμης και μάθησης, καθώς και της γήρανσης», ενώ επίσης «έχει συνεισφέρει στην ανάπτυξη καινοτόμων πειραματικών εργαλείων και μεθόδων για τη μελέτη του νευρικού συστήματος και της βιολογίας του κυττάρου».

Ως προς το βασικός στόχο του Εργαστηρίου, όπως ανέφερε ο πρόεδρος του ΙΤΕ, είναι τα αποτελέσματα της έρευνάς μας να διευρύνουν την κατανόηση του νευροεκφυλισμού που σχετίζεται με τη γήρανση και να παράγουν νέα γνώση για την ανθρώπινη υγεία και την ποιότητα ζωής.

Νέα εργαλεία ενισχύουν την έρευνα

Επιχειρώντας αυτό το «ταξίδι στο άγνωστο» που είναι η κατανόηση του φαινομένου της γήρανσης και η λειτουργία του νευρικού συστήματος, οι ερευνητές του ΙΜΒΒ απέκτησαν πρόσφατα, με χρηματοδότηση από ευρωπαϊκές και εθνικές πηγές, νέα εργαλεία προκειμένου να ενισχύσουν την έρευνά τους. Δύο εξελιγμένα συστήματα μικροσκοπίας υπερυψηλής ανάλυσης, μοναδικά στην Ελλάδα, που είναι κατάλληλα για πειράματα απεικόνισης ζωντανών και μονιμοποιημένων δειγμάτων, που απαιτούν ανίχνευση δομικών λεπτομερειών εντός του κυττάρου και των κυτταρικών οργανιδίων, καθώς και παρακολούθηση βιολογικών διαδικασιών, σε πραγματικό χρόνο, με υψηλή ταχύτητα απεικόνισης.

Πρόκειται για μια πλατφόρμα μικροσκοπίας υπερυψηλής ανάλυσης, με δυνατότητες απεικόνισης υποκυτταρικών και υποοργανικών δομών σε ζωντανά δείγματα σε πραγματικό χρόνο, με δυνατότητα ανακατασκευής εικόνας 3D και πολυφασματική ανάλυση. «Με τη χρήση σύγχρονων τεχνικών Μικροσκοπίας Δομημένου Φωτισμού (SIM2), το συγκεκριμένο σύστημα επιτρέπει απεικόνιση πέρα από το όριο περίθλασης της συμβατικής μικροσκοπίας, διπλασιάζοντας τη συμβατική ανάλυση SIM και επιτυγχάνοντας ανακατασκευή εικόνας που λαμβάνεται κάτω από ιδιαίτερα απαιτητικές συνθήκες» είπε ο πρόεδρος του ΙΤΕ προσθέτοντας ότι «παράλληλα εφαρμόζει λειτουργίες βελτίωσης ταχύτητας εξασφαλίζοντας γρήγορη ταχύτητα απεικόνισης για καταγραφή εξαιρετικά δυναμικών διαδικασιών, σε εξαιρετική ανάλυση και στις τρεις διαστάσεις (3D)». Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται καλύτερη διάκριση δομής υποοργανιδίων, με ανάλυση εικόνας, καθώς και υψηλή ταχύτητα κατά την απεικόνιση, χωρίς την ανάγκη ειδικής προετοιμασίας δειγμάτων και με ελάχιστη έκθεση του δείγματος.

Επιπλέον, όπως τόνισε, το σύστημα επιτρέπει τον ακριβή εντοπισμό μεμονωμένων μορίων με χρήση Μικροσκοπίας Εντοπισμού Μορίου (SMLM), με τεχνικές για πλευρική ανάλυση (xy), ενώ η χρήση κατάλληλων πηγών λέιζερ υψηλής ισχύος καθιστούν εφικτή την κατάλληλη επιλογή χρώσεων και φθοριζουσών πρωτεϊνών και παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης και απεικόνισης δύο διαφορετικών καναλιών φθορισμού, σχεδόν ταυτόχρονα. Εκτός από την πλατφόρμα μικροσκοπίας υπερυψηλής ανάλυσης, στο Ινστιτούτο οι ερευνητές έχουν πλέον ένα συνεστιακής μικροσκοπίας, με υψηλή ευαισθησία, κατάλληλο για σύνθετα πειράματα απεικόνισης ζωντανών και μονιμοποιημένων δειγμάτων.

Το πρωτοποριακό αυτό σύστημα, προσφέρει δυνατότητα παρακολούθησης δυναμικών διαδικασιών σε ζωντανά δείγματα με υψηλή ταχύτητα απεικόνισης και υπερυψηλή ποιότητα ανάλυσης εικόνας, με τη χρήση ειδικού ανιχνευτή που επιτρέπει τη συλλογή περισσότερης πληροφορίας στο εστιακό επίπεδο, αποδίδοντας ποσοτικά αποτελέσματα υπερ-ανάλυσης. «Με την εκμετάλλευση επιπλέον λειτουργικών δυνατοτήτων του συστήματος η δυνατότητα υψηλής ανάλυσης μπορεί να συνδυαστεί και με τη συλλογή περισσότερης πληροφορίας σε λιγότερο χρόνο, για παρακολούθηση ενδοκυτταρικών διαδικασιών σε πραγματικό χρόνο» κατέληξε ο κ. Ταβερναράκης.