Il precursore della colonna vertebrale e del cervello si forma passivamente
I ricercatori dell'ETH hanno analizzato in dettaglio come si forma il tubo neurale durante lo sviluppo embrionale. Sono giunti alla conclusione che ciò avviene in modo meno attivo di quanto ipotizzato in precedenza. Questo ha anche implicazioni per la comprensione di malformazioni come la schiena aperta.
Tra il 22° e il 26° giorno di gravidanza, nell'embrione umano si forma il tubo neurale. Questo si svilupperà in seguito nel cervello e nel midollo spinale. Il tubo neurale si forma quando un tessuto piatto e allungato, la placca neurale, si curva longitudinalmente a U e si chiude a formare un tubo. Le cause di questo sviluppo non sono ancora state chiarite. I ricercatori del gruppo guidato da Dagmar Iber, professoressa di biologia computazionale presso il Dipartimento di biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea, sono ora riusciti a dimostrare che il tessuto circostante è probabilmente coinvolto in questo processo: ? probabile che il tessuto circostante svolga un ruolo significativo. Esercita una pressione dall'esterno.
La formazione del tubo neurale è un passo estremamente importante nello sviluppo embrionale, come sottolinea Iber. In circa un embrione su mille, questo tubo non si forma completamente. Questi bambini nascono con una malformazione della colonna vertebrale, in casi estremi con una "schiena aperta". (Spina bifida aperta),che richiedono un intervento chirurgico. Gli scienziati vogliono capire la formazione del tubo neurale nel modo più dettagliato possibile, anche per prevenire meglio queste malformazioni.
"Negli ultimi decenni i ricercatori hanno lavorato intensamente su questa questione", spiega Roman Vetter, scienziato del gruppo di Iber e coautore del nuovo studio, che i ricercatori hanno pubblicato sulla rivista scientifica PNAS. ? noto che al centro e ai lati della placca neurale si formano regioni di tessuto lineare, dove la placca neurale è particolarmente curva. Queste regioni sono note come punti di snodo. Finora gli scienziati hanno ipotizzato che i segnali biochimici locali nelle cellule della placca neurale portino alla formazione di questi punti di snodo e che questi punti di snodo contribuiscano attivamente alla formazione del tubo neurale. Tuttavia, finora non è stato spiegato perché i punti di snodo si formino esattamente dove sono.
La modellazione al computer ha portato all'obiettivo
I ricercatori dell'ETH hanno ora ipotizzato un meccanismo alternativo, secondo il quale la placca neurale non si piega attivamente in un tubo da sola e guidata dai punti di rotazione. Al contrario, la placca neurale assume inizialmente una forma leggermente curva per motivi anatomici. Il tessuto su entrambi i lati della placca neurale (ectoderma e mesoderma) si espande. Questo preme lateralmente sulla placca neurale e fa sì che essa si formi passivamente in un tubo.
I ricercatori sono giunti a queste scoperte con l'aiuto della modellazione assistita dal computer. Utilizzando dati di immagini esistenti di embrioni umani e di topo, i ricercatori hanno creato un modello computerizzato della formazione del tubo neurale basato sulle leggi fisiche della natura. Hanno poi simulato diversi possibili meccanismi di formazione del tubo neurale su un supercomputer dell'ETH di Zurigo.
Si è scoperto che i processi possono essere meglio spiegati dall'espansione del tessuto circostante. "Questo dimostra che i punti di snodo possono nascere come risultato di una pressione esterna. Probabilmente, quindi, non sono il motore della formazione del tubo neurale, come si pensava in precedenza, ma un suo effetto collaterale", afferma l'ETH Professor Iber. Il motore sembra invece essere il tessuto circostante".
Un altro meccanismo nella parte bassa della schiena
Soprattutto nella parte superiore del dorso, la formazione del tubo neurale può essere spiegata con l'espansione del tessuto circostante, perché soprattutto in questa zona la placca neurale è leggermente sporgente per motivi anatomici. Più in basso, nella parte futura del dorso, questa curvatura iniziale viene meno; la placca neurale è piatta.
Con la loro modellizzazione, gli scienziati dell'ETH sono riusciti a dimostrare che la formazione del tubo neurale può essere spiegata anche da forze esterne: Le fibre proteiche e le proteine di ancoraggio contribuiscono a unire la placca neurale come una chiusura lampo. Questo fa sì che la placca neurale si rigonfi e si chiuda a formare un tubo.
Secondo i ricercatori, i diversi meccanismi nella parte superiore e inferiore della schiena potrebbero spiegare perché le deformità spinali non si verificano con la stessa frequenza in tutta la schiena. La schiena aperta si verifica più frequentemente nella parte bassa della schiena, dove il tessuto circostante è meno di supporto.
"Siamo riusciti a dimostrare che gli effetti meccanici sono responsabili della formazione del tubo neurale", afferma Vetter. "Il professor Iber dell'ETH aggiunge: "? impossibile dimostrare e comprendere un effetto meccanico utilizzando solo esperimenti biologici e genetici senza tali simulazioni".I ricercatori sperimentali cercheranno ora di confermare le previsioni dei ricercatori dell'ETH con esperimenti sugli animali".
L'obiettivo è anche quello di avvicinarsi alle cause e quindi alla prevenzione delle malformazioni. ? noto che la mancanza di acido folico e altri sintomi di carenza favoriscono queste malformazioni della colonna vertebrale. Sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere in dettaglio i meccanismi sottostanti.
Riferimento alla letteratura
de Goederen V, Vetter R, McDole K, Iber D: Hingepoint emergence in mammalian spinal neurulation, PNAS 2022, 119: e2117075119, doi: pagina esterna10.1073/pnas.2117075119