Gli scienziati di Cambridge coltivano embrioni "sintetici" con cervello e cuore che batte

I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno creato embrioni modello sintetici con cervelli, cuori che battono, con il potenziale per far crescere altri organi dalle cellule staminali del topo. La ricerca è propagandata come un nuovo modo per ricreare le prime fasi della vita.

Un team di ricercatori guidato dalla professoressa Magdalena Zernicka-Goetz ha utilizzato le cellule staminali per sviluppare il modello dell'embrione, piuttosto che le uova o lo sperma. Le cellule staminali sono cellule madri che possono svilupparsi in quasi tutti gli altri tipi di cellule del corpo.

Gli embrioni modello, come quelli coltivati ​​dai ricercatori, potrebbero aiutare a comprendere meglio il motivo per cui alcuni embrioni continuano a svilupparsi in una gravidanza sana, mentre altri no. I risultati potrebbero essere utilizzati anche per guidare la riparazione e lo sviluppo di organi umani sintetici da utilizzare nei trapianti.

Per creare gli embrioni, i ricercatori hanno imitato i processi naturali per guidare tre tipi di cellule staminali che si trovano nelle prime fasi dello sviluppo dei mammiferi fino a quando non hanno iniziato a interagire. I ricercatori potrebbero far "parlare" le cellule staminali manipolando i geni e stabilendo il giusto ambiente per le cellule.

Da lì, le cellule staminali si sono organizzate in strutture che hanno sviluppato il cuore pulsante e le basi del cervello. Hanno anche coltivato il sacco vitellino da cui gli embrioni ottengono i nutrienti durante le prime settimane di vita.

In prima ricerca, questi embrioni hanno raggiunto un punto in cui l'intero cervello, inclusa la parte anteriore, ha iniziato a svilupparsi. Nessun altro modello derivato da cellule staminali ha mai raggiunto questo stadio.

Il gruppo del professor Zernicka-Goetz a Cambridge ha studiato queste prime fasi della gravidanza per un decennio. Vogliono capire perché alcune gravidanze falliscono e altre riescono.

"Il modello dell'embrione con cellule staminali è importante perché ci dà accessibilità alla struttura in via di sviluppo in una fase che normalmente ci è nascosta a causa dell'impianto del minuscolo embrione nell'utero materno", ha affermato Zernicka-Goetz. "Questa accessibilità ci consente di manipolare i geni per comprendere i loro ruoli di sviluppo in un sistema sperimentale modello".

"Il nostro modello di embrione di topo non solo sviluppa un cervello, ma anche un cuore pulsante, tutti i componenti che compongono il corpo", ha affermato il professor Zernicka-Goetz, professore di sviluppo dei mammiferi e biologia delle cellule staminali presso il Dipartimento di Cambridge di Fisiologia, sviluppo e neuroscienze. “È semplicemente incredibile che siamo arrivati ​​così lontano. Questo è stato il sogno della nostra comunità per anni, e l'obiettivo principale del nostro lavoro per un decennio e alla fine ce l'abbiamo fatta".

Affinché un embrione umano si sviluppi con successo, i tessuti che diventeranno l'embrione ei tessuti che collegheranno l'embrione alla madre devono avere un "dialogo". Nella prima settimana dopo la fecondazione si sviluppano tre tipi di cellule staminali: una che diventerà i tessuti del corpo e due che supportano lo sviluppo dell'embrione.

Uno dei tessuti che supportano lo sviluppo dell'embrione è la placenta, che collega il feto alla madre e fornisce ossigeno e sostanze nutritive. L'altro è il sacco vitellino, dove l'embrione cresce e da cui riceve i nutrienti durante lo sviluppo iniziale.

Molte gravidanze falliscono nel momento in cui i tre tipi di cellule staminali iniziano a inviarsi segnali chimici e meccanici l'uno all'altro. Il professor Zernicka-Goetz, anche professore di biologia e ingegneria biologica al Caltech, ha spiegato: "Tante gravidanze falliscono in questo periodo, prima che la maggior parte delle donne si renda conto di essere incinta. Questo periodo è la base per tutto il resto che segue in gravidanza. Se va male, la gravidanza fallirà”.

I ricercatori hanno scoperto che le cellule extraembrionali segnalano alle cellule embrionali tramite segnali chimici. Comunicano anche meccanicamente, o attraverso il tatto, per guidare lo sviluppo dell'embrione.

“Questo periodo della vita umana è così misterioso, quindi essere in grado di vedere come accade in un piatto – avere accesso a queste singole cellule staminali, capire perché così tante gravidanze falliscono e come potremmo essere in grado di impedire che ciò accada – è davvero speciale”, ha affermato Zernicka-Goetz. "Abbiamo esaminato il dialogo che deve avvenire tra i diversi tipi di cellule staminali in quel momento: abbiamo mostrato come si verifica e come può andare storto".

Il modello è anche il primo a segnalare lo sviluppo della porzione anteriore del cervello, e in effetti l'intero cervello. "Questo apre nuove possibilità per studiare i meccanismi del neurosviluppo in un modello sperimentale", ha affermato Zernicka-Goetz.

“In effetti, dimostriamo la prova di questo principio nell'articolo eliminando un gene già noto per essere essenziale per la formazione del tubo neurale, 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”.

La ricerca attuale è stata condotta su modelli murini, ma i ricercatori stanno sviluppando modelli umani simili. Questi possono essere utilizzati per generare tipi di organi specifici per comprendere processi che sarebbero altrimenti impossibili da studiare in embrioni reali.

Attualmente, la legge britannica consente lo studio di embrioni umani in laboratorio solo fino al 14° giorno di sviluppo. Se in futuro i metodi sviluppati dal team di Zernicka-Goetz avranno successo con le cellule staminali umane, potrebbero essere utilizzati anche per guidare lo sviluppo di organi sintetici per i pazienti in attesa di trapianto.

Zernicka-Goetz ha dichiarato: “Ci sono così tante persone in tutto il mondo che aspettano da anni i trapianti di organi. 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 attualmente perse. Dovrebbe anche essere possibile influenzare e curare gli organi adulti utilizzando le conoscenze che abbiamo su come sono fatti”.

Ha aggiunto: “Questo è un incredibile passo avanti e ci sono voluti 10 anni di duro lavoro di molti dei membri del mio team – non avrei mai pensato che saremmo arrivati ​​in questo posto. Non pensi mai che i tuoi sogni diventeranno realtà, ma lo hanno fatto".

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