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Embrione “sintetico” con cervello e cuore pulsante cresciuto da cellule staminali dagli scienziati di Cambridge

I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno creato embrioni modello da cellule staminali di topo che formano un cervello, un cuore pulsante e le basi di tutti gli altri organi del corpo: un nuovo modo per ricreare le prime fasi della vita.

Il gruppo, sotto la direzione della professoressa Magdalena Zernicka-Goetzha sviluppato il modello embrionale senza cellule uovo e spermatozoi e ha invece utilizzato le cellule staminali, le cellule staminali del corpo che possono svilupparsi in quasi tutti i tipi di cellule del corpo.

I ricercatori hanno imitato i processi naturali in laboratorio dirigendo i tre tipi di cellule staminali presenti nel primo sviluppo dei mammiferi al punto in cui iniziano a interagire. Inducendo l’espressione di un insieme specifico di geni e creando un ambiente unico per le loro interazioni, i ricercatori sono stati in grado di far “parlare” le cellule staminali tra loro.

Le cellule staminali si sono auto-organizzate in strutture che hanno progredito attraverso fasi successive di sviluppo fino a quando non hanno avuto il cuore pulsante e le basi del cervello, così come il sacco vitellino, dove l’embrione si sviluppa e riceve i nutrienti per le prime settimane. A differenza di altri embrioni sintetici, i modelli sviluppati a Cambridge hanno raggiunto il punto in cui l’intero cervello, compresa la parte anteriore, ha iniziato a svilupparsi.

Questo è un ulteriore sviluppo rispetto a qualsiasi altro modello derivato da cellule staminali.

Embrioni naturali (in alto) e sintetici (in basso) fianco a fianco per mostrare una formazione cerebrale e cardiaca comparabile. Credito fotografico: Amadei e Handford

Embrioni naturali (in alto) e sintetici (in basso) fianco a fianco per mostrare una formazione cerebrale e cardiaca comparabile. Credito fotografico: Amadei e Handford

Il team annuncia le loro scoperte, il culmine di oltre un decennio di ricerca che ha progressivamente portato a strutture simili a embrioni sempre più complesse, pubblicate oggi sulla rivista Natura, potrebbe aiutare i ricercatori a capire perché alcuni embrioni falliscono mentre altri si trasformano in una gravidanza sana. Inoltre, i risultati potrebbero essere utilizzati per guidare la riparazione e lo sviluppo di organi umani sintetici per il trapianto.

“Il nostro modello di embrione di topo sviluppa non solo un cervello ma anche un cuore pulsante, tutti i componenti che compongono il corpo”, ha affermato Zernicka-Goetz, professore di sviluppo dei mammiferi e biologia delle cellule staminali presso il Dipartimento di Fisiologia, Sviluppo e Neuroscienze di Cambridge aggiunge:

“È semplicemente incredibile che siamo arrivati ​​così lontano. Questo è stato il sogno della nostra comunità per anni e il fulcro del nostro lavoro per un decennio, e finalmente l’abbiamo realizzato”.

Affinché un embrione umano si sviluppi con successo, deve esserci un “dialogo” tra i tessuti che diventano l’embrione ei tessuti che collegano l’embrione alla madre. Nella prima settimana dopo la fecondazione, si sviluppano tre tipi di cellule staminali: una alla fine diventa tessuti del corpo e le altre due aiutano lo sviluppo dell’embrione. Uno di questi tipi di cellule staminali extraembrionali diventa la placenta, che collega il feto alla madre e fornisce ossigeno e sostanze nutritive; e il secondo è il sacco vitellino, in cui l’embrione cresce e da cui trae i suoi nutrienti nel primo sviluppo.

Molte gravidanze falliscono nel momento in cui i tre tipi di cellule staminali iniziano a inviarsi segnali meccanici e chimici che indicano all’embrione come svilupparsi correttamente.

“In questo periodo, così tante gravidanze falliscono prima che la maggior parte delle donne si renda conto di essere incinta”, ha detto Zernicka-Goetz, che è anche professore di biologia e bioingegneria al Caltech. “Questa volta è la base per tutto ciò che segue in gravidanza. Se va male, la gravidanza fallirà”.

Negli ultimi dieci anni, il gruppo del professor Zernicka-Goetz a Cambridge ha studiato queste prime fasi della gravidanza per capire perché alcune gravidanze falliscono e altre hanno successo.

“Il modello dell’embrione delle cellule staminali è importante perché ci dà accesso alla struttura in via di sviluppo in una fase che normalmente ci è nascosta a causa dell’impianto del minuscolo embrione nell’utero della madre”.

Zernicka-Goetz ha aggiunto: “Questa accessibilità ci consente di manipolare i geni per comprendere il loro ruolo nello sviluppo in un sistema modello sperimentale”.

Per guidare lo sviluppo del loro embrione sintetico, i ricercatori hanno assemblato cellule staminali in coltura che rappresentano ciascuno dei tre tipi di tessuto nelle giuste proporzioni e nell’ambiente per incoraggiare la loro crescita e comunicazione tra loro e, infine, autoassemblarsi in un embrione.

I ricercatori hanno scoperto che le cellule extraembrionali inviano segnali alle cellule embrionali attraverso segnali chimici, ma anche meccanicisticamente o attraverso il tatto, dirigendo lo sviluppo dell’embrione.

“Questo periodo della vita umana è così misterioso, quindi essere in grado di vederlo accadere in una ciotola – avere accesso a queste singole cellule staminali, capire perché così tante gravidanze falliscono e come possiamo prevenirlo – è qualcosa di molto speciale, disse Zernicka-Goetz. “Abbiamo esaminato il dialogo che doveva aver luogo tra i diversi tipi di cellule staminali in quel momento – abbiamo mostrato come funziona e come può andare storto”.

Un importante progresso nello studio è la capacità di generare l’intero cervello, in particolare la parte anteriore, che è stato un obiettivo chiave nello sviluppo di embrioni sintetici.

Questo funziona nel sistema Zernicka-Goetz perché questa parte del cervello ha bisogno di segnali da uno dei tessuti extra-embrionali per svilupparsi. Il team ha pensato che ciò potesse derivare dai loro studi del 2018 e del 2021, che hanno utilizzato le stesse cellule componenti per svilupparsi in embrioni in una fase leggermente precedente. Ora, portando lo sviluppo solo un giorno in più, possono sicuramente dire che il loro modello è il primo in assoluto a segnalare lo sviluppo frontale e in effetti dell’intero cervello.

“Questo apre nuove possibilità per studiare i meccanismi del neurosviluppo in un modello sperimentale”, afferma Zernicka-Goetz. “In effetti, dimostriamo la prova di questo principio nel lavoro disattivando un gene già noto per essere essenziale per la formazione del tubo neurale, il precursore del sistema nervoso, e per lo sviluppo del cervello e degli occhi”. In assenza di questo gene, gli embrioni sintetici mostrano esattamente i difetti noti nello sviluppo del cervello come in un animale portatore di questa mutazione. Ciò significa che possiamo iniziare ad applicare questo tipo di approccio ai molti geni con funzione sconosciuta nello sviluppo del cervello”.

Sebbene la ricerca attuale sia stata condotta su modelli murini, i ricercatori stanno sviluppando modelli umani simili con il potenziale per essere mirati alla generazione di tipi di organi specifici, per comprendere i meccanismi alla base di processi cruciali che non potrebbero altrimenti essere studiati in embrioni reali. Attualmente, la legge britannica consente l’esame di embrioni umani in laboratorio solo fino al 14 aprileth giorno di sviluppo.

Se i metodi sviluppati dal team di Zernicka-Goetz si riveleranno efficaci nelle cellule staminali umane in futuro, potrebbero essere utilizzati anche nello sviluppo di organi sintetici per i pazienti in attesa di trapianto.

“Ci sono così tante persone in tutto il mondo che aspettano da anni il trapianto di organi”, ha affermato Zernicka-Goetz. “Ciò che rende il nostro lavoro così eccitante è che le conoscenze che ne derivano potrebbero essere utilizzate per far crescere organi umani sintetici corretti per salvare vite che sono attualmente perse. Dovrebbe anche essere possibile manipolare e curare gli organi adulti usando le conoscenze che abbiamo su come realizzarli.

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