Nowatorskie hybrydowe techniki regeneracji mózgu
Choć regeneracja wielu tkanek i części ciała, w tym skóry, kości czy chrząstek, nie nastręcza wielkich trudności, odbudowa tkanki mózgowej jest znacznie trudniejsza. Konwencjonalne metody leczenia chorób mózgu, między innymi epilepsji i urazów, skupiają się jedynie na objawach - nie rozwiązują przyczyn, które wywołują stan chorobowy. Jednym ze sposobów regeneracji tkanki mózgowej może być przeszczep komórek macierzystych do mózgu gospodarza, gdzie staną się świeżymi i zdrowymi neuronami. Zastosowanie takiego rozwiązania jest jednak ryzykowne z wielu powodów. Po pierwsze, komórki macierzyste mają potencjał do szybkiego namnażania się, co może doprowadzić do powstania guza lub nowotworu.
Biohybrydowy przeszczep tkanki mózgowej
Założeniem projektu HERMES(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynowanego przez Włoski Instytut Technologii(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (IIT) we Włoszech, było opracowanie systemu pozwalającego na kontrolowanie przeszczepów komórek macierzystych za pomocą specjalnych urządzeń zapewniających większą stabilność i pewność. W przypadku sukcesu tych prac będziemy świadkami rozwoju możliwości wykonywania przeszczepów tkanki mózgowej. „Moja koncepcja zakładała opracowanie prawdziwie biohybrydowego przeszczepu tkanki mózgowej, który łączy element biologiczny z urządzeniem neuromorficznym oraz komponentem sztucznej inteligencji kierującym całym procesem”, wyjaśnia Gabriella Panuccio, koordynatorka projektu. „Sztuczna inteligencja trenuje urządzenie do momentu, w którym nauczy się ono kontrolować przeszczep biologiczny w mózgu. Sztuczna inteligencja i urządzenie neuromorficzne mogą następnie zostać odłączone po wyleczeniu mózgu”.
Modelowi gospodarze, modelowe przeszczepy i sztuczna inteligencja
Zaprezentowanie tej koncepcji okazało się jednak niezwykle trudne. W przypadku zabiegu in vivo konieczne okazało się opracowanie minimalnie inwazyjnej techniki neurochirurgicznej, umożliwiającej wstrzyknięcie komórek macierzystych i płynnego biomateriału we właściwe miejsce. „Była to hodowla komórek macierzystych, które miały stać się neuronami hipokampa”, mówi Panuccio. Pilotażowe doświadczenia na modelach zwierzęcych pomogły jednak zespołowi nakreślić strategie neuromodulacji - sposoby modyfikowania aktywności układu nerwowego poprzez stymulację elektryczną. Wykorzystanie technik in vitro umożliwiło Panuccio wykazanie praktycznego działania opracowanego przez nią podejścia biohybrydowego na podstawie modelowego organizmu gospodarza, modelowego przeszczepu, urządzenia neuromorficznego oraz systemu opartego na sztucznej inteligencji, które idealnie ze sobą współdziałały. Opracowana sztuczna inteligencja stanowiła system wieloagentowy, w którym różne komponenty służyły różnym celom, jednak wszystkie komunikowały się ze sobą. „Kluczowym kamieniem milowym była realizacja architektury biohybrydowej”, zauważa badaczka. „Nie było to łatwe, ponieważ komercyjne rozwiązania technologiczne nie są łatwo dostępne i nie sposób wykorzystać ich na wczesnych etapach badań”.
Zewnętrzny konstrukt biohybrydowy
Badania in vitro pozwoliły zaobserwować komunikację i współpracę elementów systemu biohybrydowego, a także dostrajanie parametrów urządzenia neuromorficznego przez sztuczną inteligencję w czasie rzeczywistym podczas interakcji między przeszczepem a gospodarzem opartej na stymulacji elektrycznej. „Badania nad regeneracją mózgu są wciąż na bardzo wczesnym etapie”, dodaje Panuccio. „Nadal stawiamy czoła trudnościom z przeszczepianiem i różnicowaniem komórek macierzystych, a także poszukujemy odpowiedzi na szereg otwartych pytań. W ramach projektu opracowaliśmy dwa rodzaje przeszczepów modelowych - jeden okazał się epileptogenny (przyczyniał się do występowania drgawek), w przypadku drugiego tego rodzaju objawy nie występowały. Dlaczego tak się stało? Czy przeszczep nieepileptogenny stanie się epileptogenny po wszczepieniu do mózgu pacjenta chorującego na epilepsję?” Panuccio uważa, że etapem pośrednim w procesie może być zewnętrzny konstrukt biohybrydowy, który pozwoli lepiej zbadać działanie komunikacji między mózgiem a potencjalnym przeszczepem biohybrydowym. Badaczka założyła także spółkę Neurotronika(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – start-up skupiający się na technologii medycznej, którego celem jest wykorzystanie symbiotycznej neuromodulacji w leczeniu epilepsji.
