Due gruppi di ricerca hanno coltivato embrioni sintetici utilizzando cellule staminali abbastanza a lungo da consentire lo sviluppo di alcuni organi.
La ricetta per la vita dei mammiferi è semplice: prendi un uovo, aggiungi lo sperma e aspetta. Ma due nuovi documenti dimostrano che c’è un altro modo.
Nelle giuste condizioni, le cellule staminali possono dividersi e auto-organizzarsi in un embrione. Negli studi pubblicati su Cell 1 e Nature 2 questo mese, due gruppi riferiscono di aver coltivato embrioni di topo sintetici per 8,5 giorni, più a lungo che mai. Gli embrioni hanno sviluppato organi distinti: un cuore pulsante, un tubo intestinale e persino pieghe neurali.
Il processo è tutt’altro che perfetto. Solo una piccola frazione delle cellule sviluppa queste caratteristiche e quelle che non imitano del tutto un embrione naturale. Ma il lavoro rappresenta ancora un importante progresso che aiuterà gli scienziati a vedere lo sviluppo degli organi con dettagli senza precedenti.
“Questo è molto, molto eccitante”,
afferma Jianping Fu, un bioingegnere presso l’Università del Michigan ad Ann Arbor.
“La prossima pietra miliare in questo campo sarà molto probabilmente un embrione umano basato su cellule staminali sintetiche”, dice.
I due gruppi di ricerca hanno raggiunto l’impresa utilizzando tecniche simili. Magdalena Zernicka-Goetz, biologa dello sviluppo e delle cellule staminali con laboratori dell’Università di Cambridge, nel Regno Unito, e del California Institute of Technology di Pasadena, ha lavorato su questo problema per un decennio.
“Abbiamo iniziato con solo cellule staminali embrionali”, dice.
“Possiamo imitare le prime fasi dello sviluppo, ma non potremo andare oltre”.
Poi, alcuni anni fa, il suo team ha scoperto 3 che, quando hanno aggiunto cellule staminali che danno origine alla placenta e al sacco vitellino, i loro embrioni si sono sviluppati ulteriormente.
L’anno scorso, hanno dimostrato 4 che potevano usare questa tecnica per coltivare embrioni fino al giorno 7. Nel loro ultimo articolo, pubblicato su Nature Today, il team di Zernicka-Goetz descrive come hanno fatto crescere gli embrioni per altri 1,5 giorni.
Embrioni in vetro
Il team di Zernicka-Goetz ha utilizzato una tecnica sviluppata da Jacob Hanna, un biologo delle cellule staminali del Weizmann Institute of Science di Rehovot, in Israele, che da anni lavora anche su questo problema. L’anno scorso, il team di Hanna ha riferito 5 di aver sviluppato un dispositivo per la coltura di embrioni naturali di topo per un periodo di tempo senza precedenti al di fuori dell’utero. Questa incubatrice, che ha mantenuto gli embrioni dal giorno 5 al giorno 11, riprende aspetti di una tecnologia precedente – in cui gli embrioni risiedono in fiale di vetro che ruotano su un sistema simile a una ruota panoramica – e aggiunge ventilazione. Il sistema di ventilazione controlla la pressione e la miscela di ossigeno e anidride carbonica che entra nelle fiale.
Dopo la pubblicazione dell’articolo di Hanna, il suo team ha condiviso parte dell’incubatrice con altri biologi dello sviluppo e delle cellule staminali.
“Il cervello di questa macchina, l’abbiamo condiviso con tutti coloro che l’hanno chiesto”, ha detto, inclusi Zernicka-Goetz e i suoi colleghi, che l’hanno leggermente modificato per i loro esperimenti.
In un articolo pubblicato su Cell il 1° agosto, il team di Hanna descrive come hanno utilizzato il sistema per far crescere gli embrioni per 8,5 giorni. La piena gestazione nei topi è di circa 20 giorni.
Quel periodo è abbastanza lungo perché le regioni del cervello si sviluppino, il cuore inizi a battere e si formino i tubi neurali e intestinali. Questi embrioni sintetici assomigliano molto agli embrioni naturali che si formano quando lo sperma di topo incontra l’uovo, ma “non erano identici al 100%”, ha detto Hanna.
“Puoi vedere alcuni difetti e alcuni cambiamenti nelle dimensioni dell’organo.”
Ogni team ha coltivato i propri embrioni combinando tre tipi di cellule e il team di Hanna è anche riuscito a creare tutti e tre i tipi da cellule staminali embrionali naive. “Offre un modo per semplificare il processo”, afferma Hanna. “Puoi iniziare tutto da una popolazione.” Il team di Zernicka-Goetz ha riportato un risultato simile in un preprint pubblicato 6 su bioRxiv. (Nel loro articolo sulla natura , i ricercatori hanno fatto affidamento sulle cellule precursori della placenta da una linea cellulare per creare gli embrioni.)
Sviluppo del cervello
Il team di Zernicka-Goetz ha anche condotto un esperimento in cui ha eliminato un gene chiamato Pax6, che ha un ruolo chiave nello sviluppo del cervello. Quando hanno eliminato questo gene, le teste di topo non si sono sviluppate correttamente, imitando ciò che accade negli embrioni naturali privi di quel gene. Il risultato dimostra “che il sistema è effettivamente funzionante”, afferma Zernicka-Goetz.
“Questi due documenti si potenziano a vicenda”, afferma Martin Pera, biologo di cellule staminali presso il Jackson Laboratory Center for Precision Genetics a Bar Harbor, nel Maine. “Due gruppi molto qualificati possono davvero produrre risultati piuttosto simili indipendentemente”.
Per i ricercatori, questi modelli sintetici hanno molti vantaggi rispetto agli embrioni naturali creati da uova e sperma. Poiché crescono al di fuori dell’utero, sono molto più facili da osservare. Sono anche più facili da manipolare utilizzando strumenti di modifica del genoma. “Possiamo perturbare, manipolare, eliminare ogni possibile gene murino o umano”, dice Fu. Ciò potrebbe renderli utili per scoprire il ruolo di diversi geni nei difetti alla nascita o nei disturbi dello sviluppo. Zernicka-Goetz prevede di utilizzare questo modello per capire perché alcune gravidanze falliscono.
Hanna spera di utilizzare la tecnica per sviluppare embrioni umani sintetici che possano essere una fonte di organi e tessuti per le persone che ne hanno bisogno.
E gli umani?
Ma tradurre questo lavoro in esseri umani non sarà facile. I ricercatori hanno convinto le cellule staminali umane a diventare blastocisti – una sfera di cellule vuota e in rapida divisione – e persino a imitare alcuni aspetti della gastrulazione – quando l’embrione precoce si organizza in strati distinti composti da diversi tipi cellulari. Ma raggiungere lo stadio di formazione degli organi nelle cellule umane, che avviene circa un mese dopo la fecondazione, presenta una sfida tecnica significativa. Tuttavia, Ali Brivanlou, biologo dello sviluppo presso la Rockefeller University di New York City, è ottimista. “Il traguardo non è troppo lontano”.
E più avanzati diventano questi embrioni, maggiori sono le preoccupazioni etiche. Una domanda chiave è se queste strutture sintetiche debbano essere considerate embrioni. L’International Society for Stem Cell Research, con sede a Skokie, Illinois, ha da tempo sconsigliato la coltura di embrioni umani dopo il 14° giorno (equivalente al 6° giorno in un topo), all’incirca quando appare la “striscia primitiva”, la struttura che segna l’inizio della gastrulazione. Nel 2021, la società ha rimosso il limite e pubblicato linee guida in cui si afferma che tale ricerca dovrebbe avere una logica scientifica convincente e dovrebbe utilizzare il numero minimo di embrioni necessario per raggiungere l’obiettivo scientifico.
Tuttavia, Pera vede la necessità di una conversazione continua sull’etica di tali modelli. I ricercatori hanno lavorato per anni su modelli di embrioni umani senza molta opposizione. Ma è preoccupato per un contraccolpo quando i ricercatori iniziano a sviluppare modelli di embrioni umani che iniziano a sviluppare organi. “La reazione a ciò potrebbe mettere a repentaglio l’intero campo di ricerca”, afferma. “È importante che le persone sappiano cosa viene proposto e che lo facciano con una sorta di consenso etico”, aggiunge Pera. “Dobbiamo andare con cautela”.
