Utilizzando le cellule staminali per far crescere in laboratorio organi simili a cervello in miniatura, gli scienziati hanno aperto una nuova strada per studi sullo sviluppo neurologico, sulle malattie e sulle terapie che non possono essere condotte nelle persone viventi. Ma non tutti gli organoidi del mini-cervello sono creati uguali e convincerli a imitare con precisione i tessuti del cervello umano che stanno modellando è stata una sfida persistente.

"In questo momento, è come il selvaggio West perché non esiste un metodo standard per generare organoidi del mini-cervello", ha affermato Bennett Novitch, membro dell'Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research presso l'UCLA e autore senior di un nuovo articolo sull'argomento. "Ogni neuroscienziato vuole creare un modello organoide cerebrale della propria malattia preferita, eppure gli organoidi di tutti non sono sempre uguali."

Infatti, poiché non esiste un protocollo comune per la loro produzione e mancano linee guida per il controllo della qualità, gli organoidi possono variare da laboratorio a laboratorio e persino da lotto a lotto, il che significa che una scoperta fatta in un organoide potrebbe non essere valida in un altro.

"Se il mio laboratorio e un altro laboratorio in fondo al corridoio dovessero condurre screening dei farmaci utilizzando modelli organoidi mini-cervello dello stesso disturbo, potremmo comunque ottenere risultati diversi", ha affermato Momoko Watanabe, primo autore del nuovo articolo e assistente professore di anatomia e neurobiologia presso UC Irvine. "Non sapremo quali risultati siano corretti perché le differenze che stiamo vedendo potrebbero essere riflessi di come i nostri modelli differiscono piuttosto che riflessi della malattia".

Nel loro nuovo studio, pubblicato oggi su Report sulle cellule staminali , Novitch, Watanabe e i loro colleghi propongono linee guida basate sulla loro ricerca che possono aiutare gli scienziati a superare due ostacoli principali che si frappongono al pieno potenziale di questi organoidi:differenze nell'uniformità e nella struttura.

Avere organoidi che ricreano in modo accurato e coerente la struttura e la composizione cellulare di sezioni specifiche del cervello è particolarmente importante per lo studio di disturbi come la schizofrenia e il disturbo dello spettro autistico in cui il cervello delle persone affette spesso appare identico al cervello neurotipico nella struttura ma mostra marcate differenze di funzione.

"Non saremo mai in grado di identificare le sottili differenze nella struttura e nella funzione del cervello, cose che sono rilevanti per i pazienti con disturbi neurologici, se i nostri organoidi hanno l'equilibrio sbagliato dei tipi cellulari o una struttura grossolanamente irregolare", ha detto Novitch, che è anche direttore del Centro integrato per la riparazione neurale dell'UCLA Brain Research Institute.

Creare i migliori organoidi:una questione di maturità

Per produrre organoidi mini-cervello, che possono variare da 1 a 5 millimetri di diametro, gli scienziati prendono prima la pelle umana o le cellule del sangue e le riprogrammano per diventare cellule staminali pluripotenti indotte, cellule che possono differenziarsi in qualsiasi tipo di cellula del corpo. Dirigono quindi queste cellule iPS per creare cellule staminali neurali, che possono produrre la maggior parte dei tipi di cellule presenti nel cervello. Mentre le cellule staminali neurali si stanno formando, possono essere indotte ad aggregarsi in organoidi 3D. Abbastanza semplice. Ma perché alcuni organoidi assomigliano meglio al cervello umano di altri?

Per rispondere a questa domanda, il team ha collaborato con gli esperti di pluripotenza Kathrin Plath e Amander Clark dell'UCLA Broad Stem Cell Research Center. Hanno scoperto che la maturità evolutiva delle cellule staminali da cui viene coltivato un organoide ne influenza la qualità, proprio come la freschezza degli ingredienti influenza la qualità di un piatto culinario.

"Nello sviluppo embrionale umano, il sistema nervoso è una delle prime strutture a formarsi, quindi ha senso che le cellule staminali che sono all'inizio dello sviluppo siano le migliori per produrre organoidi cerebrali", ha affermato Watanabe, che è anche membro dell'UCI Sue &Bill Gross Centro di ricerca sulle cellule staminali.

I ricercatori hanno quindi scoperto che il modo migliore per mantenere le cellule staminali umane in uno stato di sviluppo precoce adatto alla formazione di organoidi era coltivarle in un piatto con cellule della pelle di topo, denominate alimentatori di fibroblasti, poiché forniscono segnali chimici essenziali e supporto strutturale che aiuta le cellule staminali ad espandersi e preservare la loro immaturità nel tempo.

Sfortunatamente, hanno anche scoperto che l'uso di cellule di topo potrebbe rendere gli organoidi meno adatti allo sviluppo di terapie cellulari per sostituire i tessuti neurali malati o danneggiati. Inoltre, questi metodi supportati dall'alimentatore sono più laboriosi dei metodi di crescita delle cellule staminali comunemente utilizzati da molti laboratori.

Il team si è poi rivolto al sequenziamento dell'RNA e all'analisi computazionale nel tentativo di individuare le differenze genetiche tra le cellule staminali che producono buoni organoidi e quelle che non lo fanno. Ciò ha permesso loro di identificare quattro molecole, tutte appartenenti alla superfamiglia di molecole beta del fattore di crescita trasformante, che erano responsabili del mantenimento delle cellule staminali in uno stato meno sviluppato.

L'aggiunta di queste quattro molecole alle cellule staminali che crescono in un piatto le ha mantenute in uno stato immaturo e ha consentito a queste cellule di produrre organoidi di alta qualità e ben strutturati.

"Abbiamo trovato un modo per avere la nostra torta e anche mangiarla", ha detto Novitch. "Abbiamo eliminato le cellule di topo dall'equazione pur mantenendo alcuni dei loro benefici per la formazione degli organoidi, avvicinandoci ai nostri obiettivi di studio e sviluppo di trattamenti per malattie neurologiche complesse". + Esplora ulteriormente

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