I ricercatori coltivano tessuto simile al cervello umano a partire da cellule staminali e mappano i tipi di cellule presenti nelle diverse regioni cerebrali e i geni che ne regolano lo sviluppo. Questo aiuta a ricercare i disturbi dello sviluppo o le malattie dei nervi.
Il cervello umano è probabilmente l’organo più complesso di tutta la natura vivente. Ha affascinato e occupato i ricercatori per molto tempo. Tuttavia, lo studio del cervello, in particolare di quali geni e interruttori molecolari ne regolano e guidano lo sviluppo, non è del tutto semplice.
Finora gli scienziati hanno utilizzato modelli animali, soprattutto topi, ma le scoperte non possono essere trasferite all’uomo. Il cervello del topo ha una struttura diversa e manca della superficie solcata tipica del cervello umano. Anche le colture cellulari si sono rivelate adatte solo in misura limitata, poiché le cellule di solito si distribuiscono solo su un’ampia superficie del terreno di coltura, che non corrisponde alla naturale struttura tridimensionale del cervello.
Mappatura delle impronte molecolari
Un gruppo di ricercatori guidati da Barbara Treutlein, professoressa del Politecnico di Basilea presso il Dipartimento di Biosistemi, ha ora adottato un nuovo approccio per studiare lo sviluppo del cervello umano: sta coltivando e utilizzando organoidi, ammassi di tessuto tridimensionale di dimensioni millimetriche che possono essere coltivati a partire da cellule staminali cosiddette pluripotenti.
Se queste cellule staminali ricevono lo stimolo giusto, i ricercatori possono programmarle per diventare qualsiasi cellula del corpo, comprese le cellule nervose. Se le cellule staminali vengono aggregate in una piccola sfera di tessuto e poi esposte allo stimolo appropriato, possono persino auto-organizzarsi e formare un organoide cerebrale tridimensionale con una complessa architettura tissutale.
In un nuovo studio appena pubblicato sulla rivista scientifica esterna Nature, Treutlein e i suoi colleghi hanno caratterizzato migliaia di singole cellule di un organoide cerebrale in diversi momenti in modo molto dettagliato in termini di genetica molecolare, cioè hanno registrato la totalità di tutti i trascritti genici (trascrittoma) come misura dell’attività genica, ma anche l’accessibilità del genoma come misura dell’attività regolatoria. Sono stati in grado di rappresentare questi dati in una sorta di mappa, sulla quale è stata tracciata l’impronta molecolare di ogni cellula all’interno dell’organoide.
Tuttavia, la procedura genera un’immensa quantità di dati: Ogni cellula dell’organoide ha 20.000 geni e ogni organoide è a sua volta composto da molte migliaia di cellule. "Ne risulta una matrice gigantesca che possiamo risolvere solo con l’aiuto di programmi adeguati e di apprendimento automatico", spiega Jonas Fleck, dottorando del gruppo Treutlein e uno dei primi autori dello studio. Per analizzare i dati e prevedere i meccanismi di regolazione genica, i ricercatori hanno sviluppato un proprio programma. "Con esso possiamo generare un’intera rete di interazioni per ogni singolo gene e prevedere cosa accadrà nelle cellule reali se questo gene fallisce", spiega Fleck.
Identificare gli interruttori genetici
Lo scopo di questo studio è stato quello di identificare sistematicamente gli interruttori genetici che influenzano significativamente lo sviluppo dei neuroni in diverse regioni degli organoidi.
Con l’aiuto di un sistema Crispr/Cas, i ricercatori hanno spento specificamente un gene in ogni cellula e circa due dozzine di geni nell’intero organoide allo stesso tempo. Questo ha permesso di scoprire il ruolo dei rispettivi geni nello sviluppo dell’organoide cerebrale.
"Con questo metodo è possibile controllare i geni che sono coinvolti nelle malattie. Inoltre, possiamo vedere l’effetto di questi geni sullo sviluppo di diverse cellule all’interno dell’organoide cerebrale", spiega Sophie Jansen, dottoranda del gruppo di Treutlein e seconda coautrice dello studio.
Formazione del modello del proencefalo Verificato
Per verificare sperimentalmente la teoria, i ricercatori hanno scelto come esempio il gene GLI3. Questo gene è il progetto dell’omonimo fattore di trascrizione, cioè una proteina che si aggancia a determinate parti del materiale genetico e regola un altro gene. Di conseguenza, il macchinario cellulare non può leggere questo gene e trascriverlo in una molecola di RNA.
Le mutazioni del gene GLI3 nei topi portano, tra l’altro, a malformazioni del sistema nervoso centrale. Il suo ruolo nello sviluppo neuronale nell’uomo non è stato finora studiato. È noto che le mutazioni del gene portano a varie malattie, come la cefalopolisindattilia di Greig o la sindrome di Pallister-Hall.
Silenziando il gene GLI3, i ricercatori hanno potuto verificare le loro previsioni teoriche da un lato e, dall’altro, determinare direttamente in coltura cellulare come la perdita di questo gene influisca sull’ulteriore sviluppo dell’organoide cerebrale. "Siamo riusciti a dimostrare per la prima volta che il gene GLI3 è coinvolto nella formazione dei modelli del prosencefalo negli esseri umani. In precedenza questo era stato dimostrato solo nei topi", spiega Treutlein.
I sistemi modello riflettono la biologia dello sviluppo
"L’aspetto entusiasmante di questa ricerca è che si possono utilizzare i dati relativi all’intero genoma di tante singole cellule per ipotizzare il ruolo dei singoli geni", spiega l’autrice. "Altrettanto entusiasmante per me è che questi sistemi modello realizzati nella piastra di Petri riflettono davvero la biologia dello sviluppo come la conosciamo dai topi".
L’aspetto affascinante è che si ottiene un tessuto auto-organizzato in un mezzo con strutture paragonabili a quelle del cervello umano. Non solo a livello morfologico, ma anche - come hanno dimostrato i ricercatori nel loro ultimo studio - a livello di regolazione genica e di formazione dei modelli. "È possibile utilizzare organoidi come questo per studiare la biologia dello sviluppo umano", sottolinea Treutlein.
Organoidi cerebrali versatili
La ricerca sugli organoidi da materiale cellulare umano ha il vantaggio di poter trasferire i risultati all’uomo. Possono essere utilizzati non solo per studiare la biologia dello sviluppo di base, ma anche il ruolo dei geni nelle malattie o nei disturbi dello sviluppo del cervello. Per esempio, Treutlein e i suoi colleghi stanno studiando la causa genetica dell’autismo o dell’eterotopia, in cui le cellule nervose non sono localizzate nella corteccia cerebrale anatomicamente usuale, utilizzando tali organoidi.
Gli organoidi possono essere utilizzati anche per lo screening dei farmaci, eventualmente anche per la coltivazione di organi o parti di organi trapiantabili. L’industria farmaceutica è molto interessata a queste colture cellulari, come conferma Treutlein.
Tuttavia, la coltivazione degli organoidi richiede tempo e lavoro. Inoltre, ogni coagulo cellulare si sviluppa individualmente e non in modo standardizzato. Treutlein e il suo team stanno quindi lavorando per migliorare gli organoidi e automatizzare il processo di produzione.
Atlante delle cellule umane
La ricerca e la mappatura degli organoidi cerebrali sono integrate nell’"Atlante delle cellule dello sviluppo umano", che a sua volta fa parte del "sito esterno Atlante delle cellule umane". Con l’Atlante cellulare umano, i ricercatori di tutto il mondo vogliono mappare tutti i tipi di cellule del corpo umano e raccogliere dati su quali geni sono attivi in quali cellule e quali geni potrebbero essere coinvolti nelle malattie. Il direttore dell’Atlante cellulare umano è il professore di biologia del MIT Aviv Regev, che nel 2021 ha ricevuto un dottorato onorario dal Politecnico di Zurigo. La professoressa del Politecnico di Zurigo Barbara Treutlein coordina la sottosezione "Atlante delle cellule organoidi". Il suo obiettivo è quello di mappare tutti gli stadi cellulari che possono essere prodotti in coltura cellulare e confrontarli con le cellule originali del corpo umano.
