I ricercatori dell'Università di Cambridge e del Caltech hanno creato embrioni di topo modello a partire da cellule staminali - le cellule principali del corpo, che possono svilupparsi in quasi tutti i tipi di cellule del corpo - che hanno un cuore pulsante, nonché le basi per un cervello e tutte le gli altri organi del corpo del topo.

I risultati sono il culmine di oltre un decennio di ricerca e potrebbero aiutare i ricercatori a capire perché alcuni embrioni falliscono mentre altri continuano a svilupparsi in un feto come parte di una gravidanza sana. Inoltre, i risultati potrebbero essere utilizzati per guidare la riparazione e lo sviluppo di organi umani sintetici per il trapianto.

La ricerca è stata condotta nel laboratorio di Magdalena Zernicka-Goetz, professoressa Bren di Biologia e Ingegneria Biologica al Caltech. Zernicka-Goetz è anche professore di sviluppo dei mammiferi e biologia delle cellule staminali presso il Dipartimento di Fisiologia, Sviluppo e Neuroscienze di Cambridge. Un articolo che descrive la svolta appare sulla rivista Nature il 25 agosto.

Il modello embrionale è stato sviluppato senza uova o sperma. Invece, 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.

Le cellule staminali si sono auto-organizzate in strutture che hanno progredito attraverso le fasi di sviluppo successive fino a quando gli embrioni sintetici hanno avuto cuori pulsanti e le basi per un cervello, così come il sacco vitellino dove si sviluppa l'embrione e da cui riceve i nutrienti nelle sue prime settimane. Questa è la fase di sviluppo più avanzata raggiunta fino ad oggi in un modello derivato da cellule staminali.

Un importante progresso in questo studio è la capacità di generare l'intero cervello, in particolare la regione anteriore, che è stata un "Santo Graal" nello sviluppo di embrioni sintetici.

"Questo apre nuove possibilità per studiare i meccanismi del neurosviluppo in un modello sperimentale", afferma Zernicka-Goetz. "Infatti, 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 cerebrale 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 cerebrale."

"Il nostro modello di embrione di topo non solo sviluppa un cervello, ma anche un cuore pulsante, tutti i componenti che compongono il corpo", spiega. "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 finalmente l'abbiamo fatto".

Affinché un embrione umano si sviluppi con successo, è necessario un "dialogo" tra i tessuti che diventeranno l'embrione ei 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 sosterranno lo sviluppo dell'embrione. Uno di questi ultimi due tipi, noto come cellule staminali extraembrionali, diventerà la placenta, che collega il feto alla madre e fornisce ossigeno e sostanze nutritive. L'altro diventerà il sacco vitellino, dove cresce l'embrione e da cui riceve i nutrienti nelle prime fasi dello 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.

"Questo primo periodo è la base per tutto il resto che segue durante la gravidanza", dice Zernicka-Goetz. "Se va storto, la gravidanza fallirà".

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

"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 della madre", afferma Zernicka-Goetz. "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 coltivate che rappresentano ciascuno dei tre tipi di tessuto e hanno permesso loro di svilupparsi in proporzioni e in un ambiente favorevole alla loro crescita e comunicazione reciproca, portando alla loro eventuale auto- assemblaggio 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, 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", dice 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".

Sebbene la ricerca attuale sia stata condotta su modelli murini, i ricercatori stanno sviluppando un modello analogo per lo sviluppo dell'embrione umano per comprendere i meccanismi alla base di processi cruciali che sarebbero altrimenti impossibili da studiare in embrioni reali.

Se in futuro questi metodi si dimostreranno efficaci con le cellule staminali umane, potrebbero essere utilizzati anche per guidare lo sviluppo di organi sintetici per i pazienti in attesa di trapianto. "Ci sono così tante persone in tutto il mondo che aspettano anni per i trapianti di organi", dice 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».

L'articolo si intitola "Gli embrioni di topo derivati ​​da cellule staminali si sviluppano all'interno di un sacco vitellino extra-embrionale per formare regioni cerebrali anteriori e un cuore pulsante". I co-primi autori sono Gianluca Amadei e Charlotte Handford dell'Università di Cambridge. + Esplora ulteriormente

I ricercatori costruiscono strutture simili a embrioni da cellule staminali umane