Una tecnica di coltura cellulare in 3D potrebbe sostituire gli embrioni di topo. Obiettivo: ottenere metodi di sperimentazione complementari e alternativi all’utilizzo di modelli animali
Cellule staminali fatte crescere in una struttura gelatinosa che imita le proprietà della matrice extracellulare e fornisce supporto e orientamento spaziale: questo è il punto cruciale del nuovo metodo di coltura cellulare sperimentale i cui dati sono stati pubblicati su Science a inizio dicembre. Un gruppo di ricerca del Max Planck Institute for Molecular Genetics (MPIMG, Berlino) è riuscito a far crescere in vitro strutture simili a quelle di un embrione di topo e, in futuro, questo potrebbe permettere di studiare gli effetti di farmaci e altre sostanze in modo più efficace e su una scala che non sarebbe possibile negli organismi viventi.
Lo sviluppo dei vertebrati comprende molteplici e complessi processi morfogenetici che modellano l’embrione attraverso l'auto-organizzazione delle cellule staminali pluripotenti e dei tessuti che ne derivano. A differenza di pesci, anfibi e uccelli, il cui sviluppo è più facilmente osservabile, quello dei mammiferi sfugge ai nostri occhi dal momento che l’embrione si impianta in utero. La struttura subisce grandi cambiamenti e sviluppa i precursori dei vari organi, un processo altamente complesso e che lascia ancora molti interrogativi aperti. I ricercatori del MPIMG sono riusciti a replicare una fase centrale dello sviluppo embrionale di topo in una capsula Petri (la banale piastra di laboratorio in cui si fanno crescere le colture cellulari di vario tipo) facendo crescere la parte centrale del tronco dell’organismo partendo da cellule staminali embrionali. Una specie di versione super specializzata e organizzata di un organoide.
Le cosiddette “Trunk-Like-Structure” (strutture simili al tronco) hanno sviluppato in soli cinque giorni i precursori per i tessuti neurali, ossei, cartilaginei e muscolari a partire da aggregati disordinati di cellule. Le strutture sono grandi circa un millimetro e possiedono un tubo neurale da cui si svilupperebbe il midollo spinale. Inoltre, hanno somiti, che sono i precursori di scheletro, cartilagine e muscolo. Alcune delle strutture sviluppano anche i precursori di organi interni come l'intestino. Dopo circa cinque giorni, il parallelo con lo sviluppo dell’embrione in condizioni normali termina.
Sebbene sia considerato abbastanza semplice isolare un embrione quando non è ancora impiantato, una volta superata la fase d’impianto nell’endometrio diventa estremamente isolato e difficile da osservare. Grazie a questa tecnica innovativa di coltura è possibile esaminare ogni fase iniziale dello sviluppo direttamente, in modo continuo e su un numero di campioni a scelta e in crescita contemporanea. Questo cambia radicalmente il modello di studio standard e permette di analizzare processi complessi come la morfogenesi. Inoltre, i ricercatori hanno introdotto nel loro modello una mutazione con effetti noti sullo sviluppo e così hanno potuto ricreare i risultati in embrioni ‘reali’, convalidando ulteriormente il modello sperimentale.
A differenza dei vari sistemi di cellule staminali tridimensionali che sono stati sviluppati per aggirare questo impedimento – i più recenti dei quali riescono a produrre i cosiddetti gastruloidi - in questo caso si formano delle strutture con l’aspetto tipico di un embrione. Dov’è la differenza? Nei segnali generati dall’innovativa sostanza gel utilizzata, il Matrigel, che è un surrogato della matrice extracellulare. Durante lo sviluppo embrionale, la matrice extracellulare fornisce stimoli chimici e meccanici essenziali. In vitro, il Matrigel può guidare la morfogenesi e questo ha portato i ricercatori ad utilizzarlo in varie condizioni per valutarne l’efficacia e a stabilire che il 5% di Matrigel è sufficiente per indurre la formazione di strutture organizzate. “Il gel fornisce supporto alle cellule coltivate e le orienta nello spazio; ad esempio, possono distinguere l'interno dall'esterno”, ha spiegato il primo autore dello studio Jesse V. Veenvielt. “Le cellule sono in grado di stabilire una migliore comunicazione, il che porta a una migliore auto-organizzazione”.
Dopo quattro o cinque giorni, il gruppo di ricerca ha separato le strutture, isolando le cellule e analizzandole singolarmente. "Anche se non tutti i tipi di cellule embrionali sono presenti nelle Trunk-Like-Structure, sono sorprendentemente simili ad un embrione della stessa età", dice Adriano Bolondi, co-autore dello stusio. Insieme alla bioinformatica Helene Kretzmer, gli autori hanno confrontato l'attività genetica delle strutture in vitro con gli embrioni di topo. "Abbiamo scoperto che tutti i geni marcatori essenziali sono stati attivati al momento giusto e nei punti giusti, con poche eccezioni”.
Di recente, Research4Life e la comunità scientifica, rappresentata da 45 firmatari, hanno pubblicato una lettera aperta alle massime cariche della Repubblica italiana per chiedere ed ottenere risposte a favore della ricerca biomedica, osteggiata e minacciata dagli animalisti che bloccano progetti di ricerca e oggi, di fatto, i lavori parlamentari. In futuro, le applicazioni di questo studio – e di altri che sono stati e verranno fatti - potrebbero rivoluzionare la ricerca e offrire metodi di sperimentazione complementari e alternativi, offrendo una possibile soluzione all’utilizzo di modelli animali.
CREDITS VIDEO: ©Dennis Schifferl, Adriano Bolondi, Jesse Veenvliet - MPI f. mol. Genet. / Léo Guignard, Max Delbrück Center f. Mol. Med
