A Cambridge ottenuto un embrione “sintetico” con cervello e cuore pulsante cresciuto da cellule staminali

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: una nuova strada per ricreare le prime fasi della vita.

Il team, guidato dalla professoressa Magdalena Zernicka-Goetz, ha sviluppato il modello dell’embrione senza uova o sperma e ha invece utilizzato le cellule staminali, le cellule principali del corpo, che possono svilupparsi in quasi tutti i tipi di cellule del corpo.

I ricercatori hanno imitato i processi naturali in laboratorio guidando i tre tipi di cellule staminali presenti nel primo sviluppo dei mammiferi al punto in cui iniziano a interagire. Inducendo l’espressione di un particolare insieme di geni e stabilendo 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 sono progredite attraverso le fasi di sviluppo successive 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 da cui riceve i nutrienti nelle prime settimane. A differenza di altri embrioni sintetici, i modelli sviluppati da Cambridge hanno raggiunto il punto in cui l’intero cervello, inclusa la parte anteriore, ha iniziato a svilupparsi.

Il team afferma che i loro risultati, il risultato di oltre un decennio di ricerca che ha portato progressivamente a strutture simili a embrioni sempre più complesse e riportati oggi sulla rivista Nature, potrebbero aiutare i ricercatori a capire perché alcuni embrioni falliscono mentre altri continuano a svilupparsi in una sana gravidanza. 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 non solo sviluppa 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 di Cambridge e Neuroscienze, aggiungendo: “È semplicemente incredibile che siamo arrivati ​​così lontano. Questo è stato il sogno della nostra comunità per anni e per un decennio uno degli obiettivi principali del nostro lavoro, e alla fine ce l’abbiamo fatta”.

Affinché un embrione umano si sviluppi con successo, è necessario un “dialogo” tra i tessuti che diventeranno l’embrione e i tessuti che collegheranno l’embrione alla madre. Nella prima settimana dopo la fecondazione, si sviluppano tre tipi di cellule staminali: una alla fine diventerà i tessuti del corpo e le altre due supporteranno lo sviluppo dell’embrione. Uno di questi tipi di cellule staminali extraembrionali diventerà la placenta, che collega il feto alla madre e fornisce ossigeno e sostanze nutritive; e il secondo è il sacco vitellino, dove l’embrione cresce e da dove riceve i suoi nutrienti durante il primo sviluppo.

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

“Così tante gravidanze falliscono in questo periodo, prima che la maggior parte delle donne si renda conto di essere incinta”, ha detto Zernicka-Goetz, che è anche professore di biologia e ingegneria biologica al Caltech. “Questo periodo è la base per tutto il resto che segue in gravidanza. Se va male, la gravidanza fallirà”.

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

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

Per guidare lo sviluppo del loro embrione sintetico, i ricercatori hanno messo insieme cellule staminali in coltura che rappresentano ciascuno dei tre tipi di tessuto nelle giuste proporzioni e nell’ambiente per promuovere la loro crescita e comunicazione reciproca, fino ad autoassemblarsi in un embrione.

I ricercatori hanno scoperto che le cellule extraembrionali inviano segnali alle cellule embrionali tramite segnali chimici ma anche meccanicamente, o attraverso il tatto, guidando 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”.

Questo funziona nel sistema di Zernicka-Goetz perché questa parte del cervello richiede segnali da uno dei tessuti extraembrionali per potersi sviluppare. Il team ha pensato che ciò potesse aver luogo 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, spingendo lo sviluppo solo un giorno in più, possono affermare definitivamente che il loro modello è il primo in assoluto a segnalare lo sviluppo del cervello anteriore, e di fatto dell’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”.

Sebbene la ricerca attuale sia stata condotta su modelli murini, i ricercatori stanno sviluppando modelli umani simili con il potenziale per essere diretti verso la generazione di tipi di organi specifici, per comprendere i meccanismi alla base di processi cruciali 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.

“Ci sono così tante persone in tutto il mondo che aspettano anni per i trapianti 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 attualmente perse. Dovrebbe anche essere possibile influenzare e curare gli organi adulti utilizzando le conoscenze che abbiamo su come sono fatti.