Il team dell’Università di Cambridge, guidato dalla professoressa Magdalena Zernicka-Goetz per sviluppare il loro modello dell’embrione, non ha utilizzato ovuli o sperma ma le cellule staminali che possono svilupparsi in quasi tutti i tipi di cellule del corpo.
I ricercatori nel laboratorio di Magdalena Zernicka-Goetz hanno imitato i processi naturali, 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, sono stati in grado di far “parlare” le cellule staminali tra loro.
Le cellule staminali si sono autoassemblate in strutture che sono progredite attraverso le fasi di sviluppo successive fino a quando non hanno avuto il cuore pulsante e le basi del cervello, così come il sacco vitellino dove l’embrione si sviluppa e da cui riceve i nutrienti nelle prime settimane. Il sacco vitellino è situato sulla parte ventrale dell’embrione; è rivestito dall’endoderma, fuori dal quale si trova uno strato di mesoderma. È il primo elemento visibile nel sacco gestazionale durante la gravidanza, di solito intorno alle 5 settimane di gestazione.
I modelli embrionali sviluppati dal team dell’Università di Cambridge, a differenza di altri embrioni sintetici, hanno raggiunto il punto in cui ha iniziato a svilupparsi l’intero cervello, inclusa la parte anteriore. È questo un ulteriore punto di sviluppo rispetto a qualsiasi altro modello derivato da cellule staminali.
Lo studio è stato pubblicato nella rivista Nature, il team di ricercatori ha affermato che i loro risultati sono frutto di oltre un decennio di ricerca che ha portato progressivamente a strutture simili a embrioni sempre più complesse, potrebbero aiutare i ricercatori a capire perché alcuni embrioni si guastano mentre altri si sviluppano in una gravidanza sana. Inoltre, i risultati potrebbero essere utilizzati per guidare la correzione e lo sviluppo di organi umani sintetici per il trapianto.
Magdalena Zernicka-Goetz, professoressa di sviluppo e cellule staminali all’Università di Cambridge e professoressa di biologia e ingegneria biologica presso il California Institute of Technology, ha detto:
«Il nostro modello di embrione di topo non solo sviluppa un cervello, ma anche un cuore pulsante, tutti elementi che compongono il corpo. È incredibile essere arrivati così lontano, questo per anni è stato il sogno della nostra comunità scientifica e per un decennio uno degli obiettivi principali del nostro lavoro, e alla fine ce l’abbiamo fatta».
L’embrione umano affinché si sviluppi con successo, è necessario un “dialogo” tra i tessuti che diventeranno l’embrione e i tessuti che collegheranno l’embrione alla madre. Tre tipi di cellule staminali dopo la fecondazione si sviluppano nella prima settimana: una alla fine diventerà i tessuti del corpo e le altre due supporteranno lo sviluppo dell’embrione. Uno di questi tipi di cellule staminali extraembrionali diventerà la placenta, che collega il feto alla madre e fornisce ossigeno e sostanze nutritive; e il secondo è il sacco vitellino, dove l’embrione cresce e da dove riceve i suoi nutrienti durante il primo 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.
Magdalena Zernicka-Goetz ha detto:
«È questo il periodo che vede tante gravidanze fallire prima che la maggior parte delle donne si renda conto di essere incinta, questo periodo è la base per tutto il resto che segue in gravidanza. Se va male, la gravidanza fallirà».
Il team di Magdalena Zernicka-Goetz negli ultimi dieci anni ha studiato queste prime fasi della gravidanza, per capire perché alcune gravidanze falliscono e altre riescono. Hanno detto:
«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».
Magdalena Zernicka-Goetz ha aggiunto:
«Questa accessibilità ci consente di manipolare i geni per comprendere i loro ruoli di sviluppo in un modello di sistema sperimentale».
I ricercatori per guidare lo sviluppo del loro embrione sintetico, in cultura hanno messo insieme le cellule staminali che rappresentano ciascuno dei tre tipi di tessuto, nelle giuste proporzioni e nell’ambiente, per promuovere la loro crescita e comunicazione reciproca, fino ad autoassemblarsi in un embrione.
I ricercatori guidando lo sviluppo dell’embrione, hanno scoperto che le cellule extraembrionali inviano segnali alle cellule embrionali tramite segnali chimici ma anche meccanicamente, o attraverso il tatto.
Magdalena Zernicka-Goetz ha affermato:
«È così misterioso questo periodo della vita umana, quindi è davvero speciale poter vedere come accade in una piastra di Petri, avere accesso a queste singole cellule staminali, capire perché così tante gravidanze falliscono e come potremmo essere in grado di impedire che ciò accada. 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».
I ricercatori hanno detto che un importante progresso nello studio è la capacità di generare l’intero cervello, in particolare la parte anteriore, è un obiettivo importante nello sviluppo di embrioni sintetici, è questo che è stato possibile nel sistema di Magdalena Zernicka-Goetz perché questa parte del cervello, per potersi sviluppare, richiede segnali da uno dei tessuti extraembrionali.
Il team di ricercatori ha pensato che sarebbe stato possibile generare l’intero cervello con la traccia dei loro studi del 2018 e del 2021, hanno utilizzato le stesse cellule componenti per svilupparsi in embrioni in una fase leggermente precedente. Ora, con un solo giorno in più di sviluppo, possono affermare definitivamente che il loro modello è il primo in assoluto a realizzare lo sviluppo del cervello anteriore, e, di fatto, dell’intero cervello.
Magdalena Zernicka-Goetz ha affermato:
«Ciò apre nuove possibilità per studiare i meccanismi del neurosviluppo in un modello sperimentale. In effetti, abbiamo dato prova di questo principio dopo aver eliminato 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. Gli embrioni sintetici in assenza di questo gene mostrano esattamente i difetti noti nello sviluppo del cervello come in un animale portatore di questa mutazione. Ciò significa che possiamo iniziare ad applicare questo tipo di metodo ai molti geni con funzione sconosciuta nello sviluppo del cervello».
La ricerca attuale sebbene sia stata condotta su modelli murini, i ricercatori stanno sviluppando modelli umani simili con il potenziale per essere indirizzati verso la generazione di tipi di organi specifici, per comprendere i meccanismi alla base di processi cruciali che sarebbero altrimenti impossibili da studiare in embrioni reali.
La legge britannica attualmente consente lo studio di embrioni umani in laboratorio solo fino al 14° giorno di sviluppo. I metodi sviluppati dal team di Magdalena Zernicka-Goetz in futuro se avranno successo con le cellule staminali umane, potrebbero essere utilizzati anche per guidare lo sviluppo di organi sintetici per i pazienti in attesa di trapianto.
Magdalena Zernicka-Goetz ha affermato:
«Molte persone in tutto il mondo aspettano anni per i trapianti di organi. Ciò che rende il nostro lavoro entusiasmante è che le conoscenze che ne derivano potrebbero essere utilizzate per far crescere organi umani sintetici per salvare vite attualmente perse. Sarà possibile curare gli organi adulti utilizzando le conoscenze che abbiamo acquisito su come sono fatti».
La professoressa Magdalena Zernicka-Goetz iniziando solo dalle cellule staminali embrionali, ha realizzato un’incredibile svolta scientifica, la creazione di embrioni sintetici di topo in una provetta che sviluppano cervelli e cuori pulsanti. È il culmine di un lavoro durato un decennio. Ha spiegato.
Sono affascinata dal mistero di come funzionano gli embrioni
Ogni embrione segue un percorso simile: una cellula diventa molte cellule, quindi comunicano tra loro e si organizzano per formare una struttura che fornirà un modello per tutte le parti del corpo adulto. Ma come fanno le cellule embrionali a decidere il loro destino, come fanno a sapere dove andare e cosa fare? Come fanno a formare le parti giuste nel posto giusto al momento giusto?
Costruire i primi modelli di “embrioni sintetici” è stato un processo che abbiamo raggiunto passo dopo passo
In partenza sapevamo che le cellule staminali embrionali potevano essere coltivate indefinitamente in laboratorio e che quando vengono iniettate in un embrione, potenzialmente possono contribuire a qualsiasi tessuto nell’organismo adulto. La sfida era guidarli a svilupparsi in un embrione completo. Oltre alle cellule staminali embrionali abbiamo utilizzato due tipi di tessuto extraembrionale: uno dei quali forma la placenta e l’altro una sacca in cui si sviluppa l’embrione. Questi tessuti sono molto importanti, poiché inviano segnali all’embrione per sviluppare tutte le sue parti al momento giusto e nel posto giusto.
Combinare le cellule staminali che rappresentano ciascuno di questi tre tipi di tessuto è più facile a dirsi che a farsi
Abbiamo dovuto trovare un ambiente in cui tutti e tre i tipi cellulari distinti potessero crescere e comunicare tra loro. Abbiamo dovuto trovare le giuste proporzioni di ogni tipo di cellula e aggiungerle nella giusta sequenza. Una volta stabiliti questi principi di base, le cellule staminali hanno fatto il resto: si sono autoassemblate per progredire attraverso successive fasi di sviluppo fino a quando non hanno avuto cuori pulsanti e le basi per un cervello.
La chiave del nostro successo è pensare fuori dagli schemi convenzionali
La maggior parte degli studi sui modelli embrionali si concentra sulle cellule staminali embrionali, ma non considera il ruolo significativo delle cellule extraembrionali. Abbiamo mescolato le giuste proporzioni di cellule staminali embrionali ed extraembrionali. Le cellule extraembrionali inviano segnali alle cellule embrionali attraverso diversi mezzi, tramite segnali chimici ma anche meccanicisticamente “al tatto”. I nostri studi stanno aiutando a comprendere questi eventi di segnalazione.
Stiamo sviluppando un modello analogo dell’embrione umano, per comprendere i meccanismi alla base di processi cruciali che sarebbero altrimenti impossibili da studiare
Ciò è importante perché la grande maggioranza delle gravidanze umane fallisce in questa fase di sviluppo, a causa di eventi che non comprendiamo. Ci consentirà inoltre di identificare i fattori che consentono lo sviluppo di tessuti umani sani poiché formano organi diversi.
La creazione del nuovo “embrione sintetico” ci ha insegnato molto sui meccanismi con cui l’embrione si costruisce
Abbiamo appreso come i tessuti extraembrionali indirizzano le cellule staminali embrionali lungo le giuste vie per segnalare la formazione delle strutture corrette; come le cellule si muovono tra i compartimenti quando si presenta il piano corporeo multistrato; e come questo imposta correttamente il campo per la neurulazione, il processo in cui il tessuto si piega per formare il tubo neurale e, a sua volta, il cervello e il midollo spinale.
È questo il modello che ci dà accesso alla struttura in via di sviluppo in una fase che normalmente ci è nascosta, quando il minuscolo embrione si impianta nel grembo materno
Il nostro modello non ha bisogno di impiantarsi per svilupparsi, quindi rimane completamente visibile permettendoci di vedere la progressione dell’embrione attraverso quella fase di sviluppo, questa accessibilità ci consente di manipolare i geni per comprendere i loro ruoli evolutivi in un sistema modello sperimentale.
È certamente vero che svolgere questo tipo di lavoro richiede passione e resilienza
Sono cresciuta in Polonia sotto un regime comunista, non era permesso viaggiare, non era incoraggiato pensare in modo differente. C’era un’immensa pressione sociale per conformarsi e molti di noi si sono ribellati contro di tutto questo. Un lato positivo era il desiderio di pensare in modo indipendente e di perseverare nonostante lo scoraggiamento. È questo atteggiamento che ha formato anche me come scienziata.
Quando ho avviato il mio gruppo di ricerca all’Università di Cambridge, ho stabilito dei metodi per studiare la “scatola nera dello sviluppo”
Lo sviluppo dell’embrione al momento dell’impianto. I miei mentori mi avevano scoraggiato dal perseguirlo durante il mio dottorato perché erano preoccupati che sarebbe stato difficile far brillare la luce all’interno di questa “scatola”, non mi sono arresa perché ero così presa dalla domanda su come si autoassembla l’embrione, così, centimetro dopo centimetro, ci siamo fatti strada.
Il mio consiglio a tutti i giovani scienziati è di seguire il proprio cuore
Studia un argomento che ti ispira e scegli un consulente che possa supportare il tuo stile di lavoro. È importante per me guidare i giovani scienziati nel laboratorio e dare loro anche il proprio lo spazio per esplorare la loro individualità. La mia esperienza è che le sfide per le scienziate aumentano man mano che avanzano nella loro carriera. Nelle fasi successive, è fondamentale avere mentori che comprendano non solo la scienza, ma anche come bilanciarla con la vita quotidiana, compresa la creazione di una famiglia.
Durante la mia gravidanza, sono rimasta scioccata quando uno screening iniziale ha mostrato delle anomalie
Il prelievo era di cellule extraembrionali, quindi ho aspettato l’amniocentesi, che preleva le cellule fetali che sono cadute nel liquido amniotico. Erano normali, il che mi tranquillizzava. L’esperienza mi ha portato a studiare l’aneuploidia del mosaico, una condizione in cui l’embrione ha cellule con il numero sbagliato di cromosomi insieme a cellule cromosomicamente normali. Incredibilmente, abbiamo scoperto che queste cellule anormali possono essere eliminate, perché le cellule normali e sane compensano la loro assenza. Per qualche ragione questo meccanismo non opera nei tessuti che costruiscono la placenta, stiamo ancora cercando di capire perché e come.
La scienza è impegnativa, è un lavoro duro e ti porta via la maggior parte delle ore di sonno
Mi distraggo guardando film: guardo molti film stranieri in polacco, francese e danese, documentari e film d’arte. Ma quando voglio perdermi in un’altra narrazione, guardo i film drammatici. Mi sono anche convertita di recente al giardinaggio, dove posso incoraggiare il successo dello sviluppo di altre forme di vita!
È una sensazione incredibile e un privilegio avere questa visione diretta delle origini di una nuova vita
È come scoprire un nuovo pianeta di cui non conoscevamo l’esistenza.
