«Ψηφιακό δίδυμο» σπλήνας με ελληνική υπογραφή αποκρυπτογραφεί τη δρεπανοκυτταρική αναιμία

Μια διεθνής ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Καθ. Καρνιαδάκη με μια σπλήνα σε “τσιπ” μοντελοποιούν τον τρόπο που τα δρεπανοκύτταρα του αίματος φράζουν το όργανο, οδηγώντας σε μια απειλητική για τη ζωή κατάσταση.

Καθημερινά, δισεκατομμύρια ερυθρά αιμοσφαίρια περνούν από την σπλήνα, ένα όργανο που είναι υπεύθυνο για το φιλτράρισμα των γερασμένων ή κατεστραμμένων κυττάρων του αίματος. Αυτή η διαδικασία γίνεται πιο δύσκολη όταν τα αιμοσφαίρια είναι παραμορφωμένα, όπως συμβαίνει σε ασθενείς με δρεπανοκυτταρική αναιμία,

η οποία επηρεάζει εκατομμύρια ανθρώπους σε όλο τον κόσμο. Τα δρεπανοκύτταρα του αίματος μπορούν να φράξουν τα φίλτρα της σπλήνας, οδηγώντας σε μια δυνητικά απειλητική για τη ζωή κατάσταση.

Μια ομάδα ερευνητών από το MIT, το Ινστιτούτο Παστέρ στο Παρίσι και από άλλα ερευνητικά ιδρύματα, της οποίας ηγείται ο καθηγητής εφαρμοσμένων μαθηματικών και μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Brown, Γιώργος Καρνιαδάκης σχεδίασαν μια μικρορευστονική συσκευή, ή αλλιώς «σπλήνα-σε-τσιπ», που μπορεί να μοντελοποιήσει αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως οξεία παγίδευση ερυθρών στη σπλήνα.

Ο καθηγητής Γιώργος Καρνιαδάκης

Η σύγχρονη τεχνολογία “organs-on-a-chip”, εν προκειμένω “Μ+S spleen-on-a-chip”, που επιτρέπει σε ένα σύστημα ανθρώπινων οργάνων να αναδημιουργούνται σε μικρογραφία πάνω σε μικρο-ψηφίδες (μικροτσιπ), να διασυνδέονται μεταξύ τους και να χωρούν μέσα στην παλάμη του ενός χεριού, είναι πολλά υποσχόμενη. Αυτά τα μικροτσιπ διαθέτουν κανάλια/ θαλάμους της τάξης 1 μικρομέτρου μέχρι μερικών χιλιοστών για μεταφορά υγρών/ διαλυμάτων και προσφέρουν τη δυνατότητα μικροσκοπικής αναδημιουργίας ανθρώπινων οργανοειδών (μίνι οργάνων μεγέθους 1-3 χιλιοστών συνήθως).

«Αυτό το έργο υποστηρίζεται από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (ΝΙΗ) των ΗΠΑ και συγκεκριμένα από το Εθνικό Ινστιτούτο Καρδιάς, Πνεύμονα και Αίματος (NHLBIΕ). Είναι ένα ενεργό πρότζεκτ στο οποίο γίνονται πειράματα σε μικρορευστονικές διατάξεις, προκειμένου να αξιοποιηθούν τα δεδομένα που προκύπτουν για υπολογιστικές μοντελοποιήσεις πολλαπλής κλίμακας. Σκοπός της μοντελοποίησης είναι η δημιουργία ενός “ψηφιακού διδύμου” δρεπανοκυττάρων. Εδώ η έμφαση δίνεται στη σπλήνα», εξηγεί ο καθηγητής Γιώργος Καρνιαδάκης, ένας εξπέρ στην υπολογιστική μοντελοποίηση, που είναι και ο κύριος ερευνητής του έργου, συστήνοντας τους συνεργάτες του Ming Dao από το MIT και Pierre Buffet από το Ινστιτούτο Παστέρ στη Γαλλία (INTS).

Σύμφωνα με τον Έλληνα επιστήμονα, το «ψηφιακό δίδυμο» “ M+S spleen-on-a-chip” βοηθά τους ερευνητές να ποσοτικοποιήσουν τη διαδικασία φιλτραρίσματος. Ουσιαστικά πρόκειται για ένα προηγμένο υπολογιστικό μοντέλο που χρησιμοποιεί τη μέθοδο δυναμικής διάχυσης σωματιδίων που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Καθηγητή Καρνιαδάκη.

Μπλοκαρισμένα φίλτρα

Η σπλήνα είναι το μεγαλύτερο όργανο του λεμφικού συστήματος και αποτελείται από δύο διαμερίσματα, τον λευκό και τον κόκκινο πολτό. Ο ιστός του λευκού πολτού αποτελείται από κύτταρα του ανοσοποιητικού (Τ κύτταρα και Β κύτταρα) για την καταπολέμηση των μολύνσεων, ενώ ο ιστός του κόκκινου πολτού φιλτράρει το αίμα μέσα από στενές διόδους που ονομάζονται μεσοενδοθηλιακές σχισμές και απομακρύνει γερασμένα ή κατεστραμμένα ερυθρά αιμοσφαίρια. «Πέντε λίτρα αίματος κυκλοφορούν στην καρδιά κάθε λεπτό, με το 5% αυτού να καταλήγει στη σπλήνα. Τα περισσότερα παιδιά με δρεπανοκυτταρική αναιμία (SCD), μέχρι την ηλικία των 8 ετών, δεν έχουν λειτουργική σπλήνα, είτε λόγω χειρουργικής αφαίρεσης είτε λόγω επαναλαμβανόμενων κρίσεων στη σπλήνα. Ενώ τα υγιή ερυθρά αιμοσφαίρια (RBCs) βρίσκονται για περίπου 120 ημέρες, τα SCD RBC ζουν μόνο 10-20 ημέρες», περιγράφει ο Καθηγητής.

H μικρορευστονική διαταξη MS spleen on a chip/ΜΙΤ/Courtesy of the researchers

Οι μεσοενδοθηλιακές σχισμές, που σχηματίζονται από τα κενά μεταξύ των ενδοθηλιακών κυττάρων που επενδύουν τα αιμοφόρα αγγεία της σπλήνας, έχουν μέγιστες διαστάσεις ανοίγματος σημαντικά μικρότερες από αυτές ενός ερυθροκυττάρου. Κατεστραμμένα, σκληρά ή παραμορφωμένα ερυθρά αιμοσφαίρια που δεν μπορούν να περάσουν μέσα από αυτά τα μικροσκοπικά ανοίγματα παγιδεύονται και καταστρέφονται από τα μακροφάγα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος.

«Τα ερυθρά αιμοσφαίρια ασθενών με SCD γίνονται άκαμπτα και κυρίως σε υποξικά περιβάλλοντα (όπου η μερική πίεση του οξυγόνου στο αρτηριακό αίμα είναι αφύσικα χαμηλή) λαμβάνουν μια πλειάδα ετερογενών σχημάτων, συμπεριλαμβανομένου του δρεπανοειδούς σχήματος, για αυτό μελετάμε τις υποξικές καταστάσεις στη σπλήνα», διευκρινίζει ο Έλληνας ερευνητής.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε αυτή τη μικρορευστονική συσκευή “M+S-spleen-on-a-chip” για να μοντελοποιήσει τον τρόπο που τα δρεπανοειδή ερυθρά αιμοσφαίρια φράζουν μικροσκοπικές σχισμές παρόμοιες με αυτές που βρίσκονται στη σπλήνα. Συγκεκριμένα οι ερευνητές δημιούργησαν μια μικρορευστονική διάταξη με δύο μονάδες, το τσιπ S, το οποίο μιμείται τις μεσοενδοθηλιακές σχισμές και το τσιπ Μ, το οποίο μιμείται τα μακροφάγα. Η διάταξη περιλαμβάνει επίσης ένα κανάλι αέρος που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της συγκέντρωσης οξυγόνου σε κάθε τσιπ για την προσομοίωση των συνθηκών στο ανθρώπινο σώμα.

Χρησιμοποιώντας αυτή τη συσκευή, οι ερευνητές προσπάθησαν να κατανοήσουν καλύτερα την οξεία παγίδευση ερυθρών στη σπλήνα, η οποία εμφανίζεται σε περίπου στο 5% των ασθενών με δρεπανοκυτταρική αναιμία, συνήθως σε παιδιά, προκαλώντας διόγκωση του οργάνου. Οι γιατροί συνήθως το αντιμετωπίζουν με μεταγγίσεις αίματος, αλλά αν αυτό δεν βοηθήσει, μπορεί να χρειαστεί χειρουργική αφαίρεση.

Δουλεύοντας με υγιή και με δρεπανοειδή ερυθρά αιμοσφαίρια από ασθενείς με δρεπανοκυτταρική αναιμία, οι ερευνητές επέτρεψαν στα κύτταρα να ρέουν μέσω της διάταξής τους υπό ελεγχόμενα επίπεδα οξυγόνου.

Διαπίστωσαν ότι υπό κανονικές συνθήκες οξυγόνου (20 %) τα δρεπανοειδή κύτταρα προκαλούν μερικό μπλοκάρισμα στις σχισμές, αφήνοντας όμως χώρο για να περάσουν άλλα κύτταρα του αίματος. Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης, ότι οι ήπιες συνθήκες αποοξυγόνωσης(5% οξυγόνο) προκαλούν κάποια απόφραξη, αλλά όχι τόση για να προκαλέσει κρίση παγίδευσης της σπλήνας, κάτι που μπορεί να εξηγήσει γιατί τέτοιες κρίσεις συμβαίνουν σπάνια. Όταν το επίπεδο οξυγόνου μειώνεται στο 2%, οι σχισμές γρήγορα φράζουν πλήρως. Η αύξηση των επιπέδων οξυγόνου μπορεί να αποφράξει τις σχισμές. Αυτό μπορεί εν μέρει να εξηγήσει γιατί οι μεταγγίσεις αίματος, οι οποίες φέρνουν οξυγονωμένα αιμοσφαίρια στη σπλήνα, μπορούν να βοηθήσουν ασθενείς που αντιμετωπίζουν οξεία παγίδευση σπλήνας.

«Η σπλήνα μας “M+S-on-a-chip” μέχρι στιγμής είναι μοναδική και μπορεί να διερευνήσει τόσο τις συνθήκες νορμοξίας (επίπεδα οξυγόνου σε φυσιολογικά επίπεδα), όσο και υποξίας. Υπήρξαν κάποιες πρώιμες προσπάθειες ερευνητών στο Ινστιτούτο Wyss στο Χάρβαρντ που παρήγαν όμως κάποια σχέδια μακριά από την πραγματική λειτουργικότητα της ανθρώπινης σπλήνας. Ο δικός μας σχεδιασμός μπορεί να διευκολύνει τόσο τα υγιή όσο και τα δρεπανοειδή RBC», σχολιάζει ο Καθηγητής Καρνιαδάκης.

Αργή πέψη

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την άλλη μονάδα της μικρορευστονικής συσκευής, το τσιπ M, για να μοντελοποιήσουν τι συμβαίνει όταν τα ερυθρά αιμοσφαίρια συναντούν μακροφάγα κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Διαπίστωσαν ότι όταν τα επίπεδα οξυγόνου είναι χαμηλά, τα δρεπανοειδή ερυθρά αιμοσφαίρια ήταν πολύ πιο πιθανό να παγιδευτούν από τα μακροφάγα και να καταστραφούν. Στην πραγματικότητα, παγιδεύονται τόσα πολλά αιμοσφαίρια που τα μακροφάγα δεν μπορούν να τα καταστρέψουν γρήγορα, συμβάλλοντας στο φράξιμο των σχισμών.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι τα άκαμπτα δρεπανοειδή κύτταρα διατηρούν το σχήμα τους ακόμη και μετά την παγίδευσή τους, γεγονός που καθιστά πιο δύσκολο για τα μακροφάγα να τα διασπάσουν. «Περίπου τα μισά από αυτά τα κύτταρα παραμένουν δρεπανοειδή για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα και επιβραδύνουν την όλη διαδικασία της πέψης», λένε οι ίδιοι.

Όταν αυξάνονται τα επίπεδα οξυγόνου, τα αιμοσφαίρια ξαναπαίρνουν το φυσιολογικό τους σχήμα, ακόμη και αυτά που έχουν απορροφηθεί. Αυτό επιτρέπει στα μακροφάγα να τα αφομοιώνουν πιο εύκολα και να καθαρίζουν τις φραγμένες σχισμές.

Οι ερευνητές χρησιμοποιούν τώρα το “M+S spleen-on-a-chip” για να μελετήσουν πώς τα φάρμακα που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας, όπως το voxelotor και η υδροξυκαρβαμίδη, επηρεάζουν τη συμπεριφορά των κυττάρων που παρατήρησαν σε αυτή τη μελέτη. Ελπίζουν επίσης ότι η συσκευή τους θα μπορούσε μια μέρα να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει τους γιατρούς να ταυτοποιήσουν τα αιμοσφαίρια μεμονωμένων ασθενών και να παρακολουθήσουν την εξέλιξη της νόσου τους.

spleen on a chip /ΜΙΤ/Courtesy of the researchers

Αυτό μπορεί να δώσει στους γιατρούς μια ιδέα για το πόσο καλά είναι ο ασθενής και αν χρειάζεται να κάνουν σπληνεκτομή ή να λάβουν άλλα μέτρα.

Η εν λόγω μελέτη εμφανίστηκε στα Proceedings of the National Academy of Sciences την περασμένη εβδομάδα.

Αξίζει να σημειωθεί πως πριν μια 5ετία περίπου ο Καθηγητής Καρνιαδάκης είχε «ταράξει» πάλι τα νερά του επιστημονικού πεδίου του παρουσιάζοντας τότε ένα νέο υπολογιστικό σύστημα τεχνητής νοημοσύνης, που βασιζόταν στη μηχανική «βαθιά» μάθηση και το οποίο για πρώτη φορά μπορούσε αυτόματα -χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση- να ταυτοποιήσει τα είδη και τις μορφές των ερυθρών αιμοσφαιρίων στο αίμα ενός ασθενούς. Πιο πρόσφατα δημιούργησε ένα τσιπ, το “Micro-Aneurysm-On-A-Chip” που μιμείται τα μικροανευρύσματα που μπορεί να εμφανιστούν σε διαβητικούς ως πρώιμο σύμπτωμα διαβητικής αμφιβληστροειδοπάθειας και μοντελοποίησε μικρά, ενδιάμεσα και μεγάλα ανευρύσματα με απώτερο στόχο τη διάγνωση και την παρακολούθηση άλλων αγγειακών διαταραχών.

Βασικός στόχος του καθηγητή είναι να αναπτύξει μαθηματικά μοντέλα για όλα τα είδη φαινομένων - από τα ατμοσφαιρικά ρεύματα μέχρι το καρδιαγγειακό σύστημα έως και την έκφραση γονιδίων - που να αντικατοπτρίζουν καλύτερα τις αβεβαιότητες του φυσικού κόσμου.

Λίγα λόγια για τον καθηγητή Γιώργο Καρνιαδάκη

Ο Γιώργος Καρνιαδάκης κατάγεται από την Κρήτη. Είναι μέλος της Εθνικής Ακαδημίας Μηχανικών των ΗΠΑ και της Σχολής του Vannevar Bush. Αποφοίτησε από τη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΜΠ το 1982 και έλαβε S.M. και Ph.D. από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ), όπου διορίστηκε ως λέκτορας στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών. Στη συνέχεια εντάχθηκε στο ερευνητικό κέντρο Nasa Ames και αφού δίδαξε στο Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροδιαστημικής Μηχανικής και στο Πρόγραμμα Εφαρμοσμένων και Υπολογιστικών Μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον και στο Τμήμα Αεροναυπηγικής του Caltech, μετακινήθηκε και παραμένει μέχρι σήμερα στο Πανεπιστήμιο Brown ως Καθηγητής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών στο Κέντρο Μηχανικής Ρευστών, διδάσκοντας παράλληλα και στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών στο MIT.

Είναι Μέλος της AAAS (2018-), Μέλος της Εταιρείας Βιομηχανικών και Εφαρμοσμένων Μαθηματικών (SIAM, 2010-), της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής (APS, 2004-), της Αμερικανικής Εταιρείας Μηχανολόγων Μηχανικών (ASME, 2003-) και Associate Fellow of the American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA, 2006-). Το 2021 απέσπασε το βραβείο SIAM/ACM για την Υπολογιστική Επιστήμη & Μηχανική, το βραβείο Alexander von Humboldt το 2017, το βραβείο SIAM Ralf E Kleinman (2015), το μετάλλιο J. Tinsley Oden (2013) και το βραβείο CFD (2007) από την Ένωση Υπολογιστικής Μηχανικής των ΗΠΑ.

Ο δείκτης h του είναι 127 και το έργο του έχει αναφερθεί πάνω από 76.000 φορές.

#ΣΠΛΗΝΑ #ΓΙΩΡΓΟΣ_ΚΑΡΝΙΑΔΑΚΗΣ