I ricercatori della Medicine By Design dell'Università di Toronto hanno progettato una nuova piattaforma per studiare le prime fasi dello sviluppo umano in laboratorio, tirando indietro il sipario sui processi biologici chiave che fino ad ora hanno avuto luogo all'interno dell'utero, oltre lo sguardo degli scienziati.
Ritenuto il primo del suo genere in Canada, la tecnologia consente alle cellule staminali embrionali umane di auto-organizzarsi in una struttura con caratteristiche simili all'embrione, compresi i primi precursori di organi come il cervello, il cuore e il fegato.
I ricercatori che cercano di curare le malattie sfruttando la capacità di auto-rinnovamento del corpo umano hanno cercato a lungo di comprendere questi processi perché credono di possedere intuizioni che potrebbero essere fondamentali per far progredire nuove terapie di medicina rigenerativa. Ma ostacoli tecnici, preoccupazioni etiche e restrizioni legali hanno impedito loro di studiare queste fasi cruciali dello sviluppo negli embrioni umani in laboratorio. Ecco perché i ricercatori si stanno rivolgendo alla bioingegneria delle cellule staminali per avere risposte.
"Dato che è un artificiale, ambiente ingegnerizzato che può imitare alcuni dei principi organizzativi fondamentali che riteniamo importanti per lo sviluppo dell'embrione umano, la nostra piattaforma ha il potenziale per alleviare alcune delle sfide associate allo studio degli embrioni umani in laboratorio e fornire suggerimenti molto utili su come iniziano le fasi iniziali dello sviluppo umano, " disse Mukul Tewary, un dottorando presso l'Istituto di Biomateriali e Ingegneria Biomedica della U of T (IBBME). È l'autore principale di un articolo che descrive la piattaforma che apparirà a novembre in un numero speciale di Sviluppo ed è stato pre-pubblicato sul sito web della rivista.
"Sapere questo non può solo darci intuizioni da un punto di vista biologico di base su come diventiamo, ma anche fornire informazioni chiave che possono essere molto preziose nel campo della medicina rigenerativa nel suo complesso, " ha detto Tewary.
Mentre alcuni studi negli Stati Uniti hanno precedentemente dimostrato modelli embrionali "sintetici", La piattaforma di Tewary fa progredire la tecnologia in modi importanti che, secondo lui, consentiranno ai ricercatori di iniziare a testare le ipotesi che hanno fatto sulla prima biologia dello sviluppo umano sulla base di studi sugli animali e modelli matematici. In definitiva, i ricercatori sperano che queste informazioni possano avvicinarli a un obiettivo di vecchia data della medicina rigenerativa:utilizzare le cellule staminali per far crescere nuovi tessuti e organi in laboratorio per sostituire quelli che sono stati danneggiati dalla malattia.
Ma gli scienziati, esperti di etica e responsabili politici dovranno affrontare le questioni spinose sollevate da queste nuove piattaforme. "Fino a poco tempo fa questo non era qualcosa che i bioeticisti avevano nemmeno considerato, " ha detto Tewary.
Le strutture umane simili all'embrione non hanno il potenziale per svilupparsi in esseri umani perché derivano da un foglio di cellule staminali embrionali umane, piuttosto che da un uovo che è stato fecondato da uno spermatozoo. Ciò nonostante, il loro avvento sfida la nostra definizione di cosa sia un embrione.
Fino a poco tempo fa, non era tecnicamente possibile per i ricercatori mantenere in vita embrioni umani in un piatto oltre il punto in cui normalmente si impiantarebbero nell'utero, circa sette giorni dopo la fecondazione. Anche se potrebbero rimanere vitali oltre questo punto, un consenso giuridico e normativo internazionale decennale, sancito in Canada dalla legge sulla riproduzione umana assistita, proibisce agli scienziati di coltivare embrioni umani intatti in laboratorio oltre i 14 giorni. È allora che l'embrione inizia ad auto-organizzarsi lungo un asse testa-coda noto come striscia primitiva, e poco prima della gastrulazione, quando il disco di cellule a strato singolo chiamato epiblasto forma tre strati distinti che alla fine diventano diversi tipi di organi.
Bioeticisti e scienziati si sono stabiliti sulla soglia dei 14 giorni perché volevano fermare la crescita degli embrioni cresciuti in laboratorio prima che i precursori delle cellule cerebrali potessero iniziare a formarsi, eludere i dibattiti su quando iniziano la coscienza e la capacità di provare dolore.
I recenti progressi consentono agli scienziati di coltivare embrioni umani in un piatto per periodi di tempo più lunghi, poco meno di 14 giorni. Questo sviluppo, insieme alla creazione di piattaforme ingegnerizzate che danno origine a cellule staminali derivate, strutture simili ad embrioni, hanno "messo la biologia dello sviluppo umano in rotta di collisione con la 'regola dei 14 giorni', " un commento l'anno scorso in Nature ha avvertito. Oppure, come ha scritto un recente titolo del MIT Review of Technology, "Stanno arrivando embrioni umani artificiali, e nessuno sa come gestirli."
Gli scienziati non ci sono ancora, ma i progressi stanno avvenendo rapidamente. Negli ultimi tre anni, diversi team di ricerca hanno modellato lo sviluppo embrionale precoce in laboratorio posizionando cellule staminali embrionali umane su superfici micromodellate, che consentono loro di controllare dove e come le cellule si attaccano. Hanno quindi utilizzato diversi mezzi per indurre la crescita e la differenziazione.
La piattaforma sviluppata da Tewary e dai colleghi nei laboratori del professore universitario Peter Zandstra e del professore associato IBBME Rodrigo Fernandez-Gonzalez migliora questo lavoro in due modi. Il team di ricerca ha utilizzato la litografia a luce ultravioletta per trasferire micro-disegni su una lastra ricoperta di polimeri, aumentando l'efficienza e la robustezza del processo di modellazione rispetto ad altre tecniche. E a differenza di altre piattaforme, il loro è ad alto rendimento, consentendo loro di creare molte migliaia di strutture simili a embrioni e testare le loro risposte a una varietà di condizioni diverse in ogni esperimento.
Entrambe le innovazioni hanno permesso loro di identificare con maggiore precisione i segnali e gli stimoli che guidano lo sviluppo precoce negli embrioni umani. Tewary sta ora esaminando come altri eventi di sviluppo, come lo schema neurale, può essere persuaso fuori dal sistema. Potrebbero fornire approfondimenti sulla gastrulazione, che avviene circa 14 giorni dopo la fecondazione, sollevando domande su come bilanciare considerazioni etiche e legali con scoperte che potrebbero trasformare fondamentalmente la scienza e la medicina.
Man mano che queste piattaforme ingegnerizzate diventano più sofisticate, ricercatori e bioeticisti hanno espresso la preoccupazione che le attuali regole sulla ricerca sugli embrioni possano essere inadeguate per ciò che potrebbe accadere, soprattutto se le strutture embrionali derivate dalle cellule staminali iniziano a mostrare caratteristiche che emergono negli embrioni umani ben dopo i primi 14 giorni di sviluppo.
Alcuni chiedono un'ampia discussione internazionale sull'opportunità di rivedere la regola dei 14 giorni. L'anno scorso, la International Society for Stem Cell Research ha aggiornato le sue linee guida sulla ricerca sulle cellule staminali per "riconoscere che lo sviluppo di modelli in vitro sempre più complessi delle prime fasi dello sviluppo umano dovrebbe essere sottoposto a revisione specializzata".
Altri sostengono che la semplice modifica della regola dei 14 giorni potrebbe non essere sufficiente. All'inizio di quest'anno, i ricercatori della Harvard Medical School e dell'Università di Groningen hanno sostenuto che il tentativo di prevenire l'emergere di "caratteristiche moralmente preoccupanti" basate su pietre miliari dello sviluppo come la serie primitiva non affronterà adeguatamente le strutture simili all'embrione che possono saltare i passaggi o svilupparsi lungo diversi linea del tempo. hanno suggerito, Invece, che i limiti etici dovrebbero "basarsi il più direttamente possibile sulla generazione di tali caratteristiche, " con ricercatori e bioeticisti che lavorano insieme per sviluppare le regole.
Ma anche una volta raggiunto un consenso, qualsiasi cambiamento potrebbe richiedere anni, dato il mosaico internazionale di leggi e linee guida scientifiche che regolano la ricerca sugli embrioni.
Zandstra, Il supervisore di Tewary, ha detto di essere entusiasta delle nuove strade per rispondere a domande biologiche fondamentali e creare strutture simili a organi che questa piattaforma apre, così come le opportunità che offre per una discussione più ampia.
"Catalizza legali interessanti e importanti, conversazioni sociali ed etiche che sono cruciali per il Canada da affrontare e condurre, " disse Zandstra, che detiene la cattedra di ricerca canadese in bioingegneria delle cellule staminali ed è anche direttore dei Michael Smith Laboratories e della School of Biomedical Engineering presso l'Università della British Columbia. "Come bioingegnere, non c'è molto di più che si possa chiedere a un progetto."
Il numero speciale di Sviluppo celebrando il 100° anniversario della pubblicazione di D'Arcy Thompson's Sulla crescita e sulla forma , un libro seminale sull'applicazione della matematica alla biologia, sarà pubblicato il 28 novembre.
