L'uso di idrogel da parte degli scienziati porta le cellule staminali a svilupparsi come embrioni umani

Gli scienziati dei materiali dell'UNSW Sydney hanno dimostrato che le cellule staminali pluripotenti umane in laboratorio possono avviare un processo simile alla fase di gastrulazione - in cui le cellule iniziano a differenziarsi in nuovi tipi di cellule - molto prima di quanto avviene in madre natura.

Per un embrione che si sviluppa nell'utero, la gastrulazione avviene al 14° giorno. Ma in un piatto del laboratorio del campus Kensington della UNSW, il professore associato di Scientia Kris Kilian ha supervisionato un esperimento in cui un evento simile alla gastrulazione è stato innescato entro due giorni di coltura di cellule staminali umane in un biomateriale unico che, come si è scoperto, ha creato le condizioni per imitare questa fase dello sviluppo embrionale.

"La gastrulazione è il passaggio chiave che porta alla pianta del corpo umano", spiega il Prof. Kilian.

"È l'inizio del processo in cui un semplice foglio di cellule si trasforma in tutti i tessuti del corpo: nervi, tessuto cardiovascolare e sanguigno e tessuto strutturale come muscoli e ossa. Ma non siamo stati in grado di studiare questo processo negli esseri umani, perché non è possibile studiarlo in laboratorio senza prelevare tessuto embrionale in via di sviluppo".

"Quindi è davvero entusiasmante che siamo riusciti a vedere questo processo in vitro".

Questo risultato, pubblicato oggi sulla rivista Advanced Science, non ha solo implicazioni per la comprensione dello sviluppo embrionale umano, ma anche per nuovi trattamenti in medicina, tra cui la terapia cellulare, lo sviluppo di farmaci mirati e le tecnologie di editing genico CRISPR.

Il momento più importante della tua vita

Il biologo dello sviluppo Lewis Wolpert una volta disse: "Non è la nascita, il matrimonio o la morte, ma la gastrulazione il momento più importante della vostra vita". La gastrulazione è l'evento chiave nello sviluppo di un embrione, quando una massa di cellule indifferenziate inizia i primi passi di un lungo viaggio nell'utero verso la formazione di un essere umano. Questo è uno dei motivi per cui il lavoro sugli embrioni rimasti dalla FIV è vietato oltre i 14 giorni, quando avviene la gastrulazione.

Kilian afferma che finora è stato difficile studiare questo processo nell'uomo a causa di ovvie limitazioni etiche.

"Il controllo della gastrulazione con i soli materiali fornirà un modo completamente nuovo per studiare lo sviluppo umano", afferma Kilian.

"Attualmente non possiamo farlo perché la ricerca sugli embrioni oltre i 14 giorni è spesso considerata non etica, ed è attualmente impossibile in vivo perché bisognerebbe osservare un embrione in una madre umana incinta".

Ma mentre esistono modelli animali da studiare - come i topi e gli zebrafish - e altri ricercatori hanno indotto eventi simili alla gastrulazione in laboratorio usando sostanze chimiche, tra cui i fattori di crescita, questa è la prima volta che le sole condizioni di coltura hanno avviato la gastrulazione al di fuori di un corpo umano.

"Il nostro metodo potrebbe portare a un nuovo approccio per imitare l'embriogenesi umana al di fuori di una persona", afferma Kilian.

Organi in miniatura e splicing genico CRISPR

Nelle scienze mediche, la capacità di indurre la gastrulazione in embrioni "sintetici" come quelli creati dal team dell'UNSW potrebbe anche aiutare a creare tessuti corporei o addirittura organi in miniatura basati sul codice genetico del paziente stesso. Questi cosiddetti "organoidi", appena visibili a occhio nudo, vengono già sviluppati utilizzando le cellule staminali per la ricerca medica, ad esempio per testare l'efficacia di alcuni farmaci. Ma il processo richiede l'uso di sostanze chimiche per stimolare le cellule a formare un tessuto differenziato, il che richiede tempo e denaro.

Secondo Kilian, controllare la gastrulazione usando solo materiali idrogel per stimolare ciò che avviene naturalmente potrebbe essere una soluzione più rapida ed economica.

"L'aspetto che ci entusiasma è la possibilità di produrre cellule terapeuticamente utili in modo molto più rapido e riproducibile", afferma Kilian.

Il nostro metodo potrebbe fornire un modo per avviare l'"organogenesi", con una serie di centinaia di aggregati cellulari ben definiti in un singolo pozzo, portando a strutture più rapide e definite che potrebbero poi essere trasformate in cervello, fegato, intestino e potenzialmente in qualsiasi tessuto di organo solido".

"Questo approccio potrebbe anche rivoluzionare lo sviluppo di farmaci, compresi gli approcci RNA e CRISPR/Cas9, fornendo un modo più riproducibile per imitare i tessuti umani in laboratorio. Ad esempio, si potrebbe creare un organoide a partire dalle cellule di un paziente, per poi testare terapie volte a correggere le mutazioni o a ripristinare la funzione".

Una casa in idrogel è perfetta

Il segreto del successo del lavoro del team dell'UNSW in laboratorio sta nella struttura della coltura in cui sono state seminate le cellule staminali. Utilizzando una tecnica adattata dall'industria dei semiconduttori, sono state create regioni definite su un idrogel a cui le cellule possono aderire. Questa combinazione di confinamento geometrico e gel morbido, che imita la superficie dell'utero umano, spinge le cellule ad avviare processi simili alla gastrulazione.

"Abbiamo scoperto che se si prendono cellule staminali pluripotenti e le si mette in un ambiente molto ristretto e morbido, è simile a quello che le cellule potrebbero sperimentare nell'utero di una madre", spiega Kilian.

"Questo materiale viscoelastico, morbido e soffice dà loro spunti sufficienti per avviare da sole un processo simile alla gastrulazione".

Ciò contrasta notevolmente con la pratica standard utilizzata di recente nei laboratori, che costringono un tipo di processo di gastrulazione utilizzando fattori di crescita e integratori chimici su piatti di plastica dura o di vetro.

"Non sorprende che le ricerche precedenti, condotte coltivando le cellule staminali su vetro o plastica, non siano riuscite a riprodurre i segnali che avvengono nel corpo. Ma usando i nostri substrati morbidi che imitano il tessuto embrionale, possiamo indurre le cellule a organizzarsi spazialmente e a iniziare la morfogenesi precoce che potrebbe infine creare una persona".

Ma Kilian avverte che, pur avendo scoperto le condizioni che emulano il primo stadio della gastrulazione, il team non sembra andare oltre.

"Non possiamo creare una persona in questo modo", afferma.

"Questo metodo dimostra solo la fase iniziale, ma molto cruciale, dello sviluppo. L'impatto sta nel poter studiare questa fase importantissima dello sviluppo umano e nell'utilizzare le strutture generate per sviluppare terapie".

La serendipità può essere una parte importante della scoperta

Come per la maggior parte delle grandi scoperte scientifiche, la serendipità ha giocato un ruolo importante. Il team non stava cercando attivamente di provocare la gastrulazione quando ha gettato alcune cellule staminali sul substrato di idrogel.

L'autrice principale, la dottoressa Pallavi Srivastava, è rimasta sorpresa da ciò che ha osservato.

"Inizialmente stavo cercando di far aderire le cellule staminali ai nostri idrogel e avevo pianificato di differenziarle nel modo convenzionale", spiega la dottoressa.

"La differenza tra le cellule coltivate su vetro e quelle sui nostri gel è stata davvero sorprendente. Ricordo di aver pensato: 'Wow, qui sta succedendo qualcosa. Devo indagare". Questo ha portato a un grande cambiamento nel mio progetto e, infine, a questa entusiasmante scoperta".

I ricercatori sperano di poter continuare a esplorare i benefici della loro scoperta, comprendendo come i materiali possano guidare l'embriogenesi e oltre. Kilian afferma che, sebbene questa scoperta sia entusiasmante, è necessario un ulteriore lavoro per guidare i processi simili alla gastrulazione a formare tessuti utili.

"Questo è davvero il primo passo di quella che speriamo sia una tecnologia piattaforma per produrre modelli di tessuto utili. Innescare la gastrulazione non è sufficiente, ora dobbiamo fornire altri segnali per mantenere la differenziazione".

Secondo Kilian, la scoperta della prossima serie di segnali materiali potrebbe consentire la creazione di qualsiasi tessuto solido a scopo di ricerca e la generazione di tipi di cellule utili per la medicina rigenerativa.

"Considerando che le cellule staminali pluripotenti possono ora essere generate da campioni di sangue o di tessuto, il futuro è aperto per la rigenerazione di tessuti e organi a partire dalle cellule del paziente stesso".

Fonte: Journal information, Advanced Science

N.d.E.: Possiamo davvero fidarci che queste tecniche nelle mani di scienziati pazzi, possano aiutare l'umanità e il progresso?

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