Mappare lo sviluppo del cervello
I ricercatori dell'ETH stanno coltivando un tessuto simile al cervello umano a partire da cellule staminali e stanno mappando i tipi di cellule presenti nelle diverse regioni cerebrali, nonché i geni che ne regolano lo sviluppo. Ciò contribuisce alla ricerca sui disturbi dello sviluppo o sulle malattie nervose.
Il cervello umano è probabilmente l'organo più complesso di tutta la natura vivente. Ha affascinato e occupato i ricercatori per molto tempo. Tuttavia, la ricerca sul cervello, in particolare su quali geni e interruttori molecolari ne regolano e controllano lo sviluppo, non è facile.
Finora gli scienziati hanno utilizzato modelli animali, soprattutto topi, ma le scoperte non possono essere trasferite all'uomo. Il cervello dei topi ha una struttura diversa e manca della superficie solcata tipica del cervello umano. Anche le colture cellulari sono state finora adatte solo in misura limitata, poiché le cellule di solito si distribuiscono in modo piatto su un terreno di coltura, il che non corrisponde alla naturale struttura tridimensionale del cervello.
Mappatura delle impronte digitali molecolari
Un gruppo di ricercatori guidati da Barbara Treutlein, l'ETH professore presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria di Basilea, ha ora adottato un nuovo approccio alla ricerca sullo sviluppo del cervello umano: sta coltivando e utilizzando gli organoidi, ammassi tridimensionali di tessuto di dimensioni millimetriche che possono essere coltivati 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 pagina esternaLa natura Treutlein e i suoi collaboratori hanno caratterizzato migliaia di singole cellule di un organoide cerebrale in modo molto dettagliato e in momenti diversi, utilizzando la genetica molecolare, cioè registrando 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 visualizzare questi dati in una sorta di mappa su cui è stata tracciata l'impronta molecolare di ciascuna cellula all'interno dell'organoide.
Tuttavia, la procedura genera serie di dati immense: 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. I ricercatori hanno sviluppato un proprio programma per analizzare i dati e prevedere i meccanismi di regolazione genica. "Questo ci permette di generare un'intera rete di interazioni per ogni singolo gene e di prevedere cosa succede nelle cellule reali quando questo gene viene meno", spiega Fleck.
Identificare gli interruttori genetici
Lo scopo di questo studio è stato quello di identificare sistematicamente gli interruttori genetici che influenzano in modo significativo lo sviluppo delle cellule nervose in diverse regioni degli organoidi.
Utilizzando un sistema Crispr/Cas, i ricercatori dell'ETH hanno spento in modo specifico un gene in ogni cellula e circa due dozzine di geni contemporaneamente nell'intero organoide. Questo ha permesso di scoprire il ruolo dei rispettivi geni nello sviluppo dell'organoide cerebrale.
"Questo metodo può essere utilizzato per analizzare i geni coinvolti nelle malattie. Si può anche 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.
Esaminata la formazione del proencefalo
Per verificare sperimentalmente la teoria, i ricercatori hanno scelto come esempio il gene GLI3. Questo gene è il progetto dell'omonimo fattore di trascrizione, ovvero una proteina che si lega a determinate parti del genoma 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 provocano, tra l'altro, malformazioni nel sistema nervoso centrale dei topi. Il suo ruolo nello sviluppo neuronale umano non è ancora stato studiato. ? noto che mutazioni nel gene portano a varie malattie, come la cefalopolisindattilia di Greig o la sindrome di Pallister-Hall.
Silenziando il gene GLI3, i ricercatori hanno potuto da un lato verificare le loro previsioni teoriche 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 nell'uomo. In precedenza questo era stato dimostrato solo nei topi", afferma Treutlein.
I sistemi modello riflettono la biologia dello sviluppo
"L'aspetto entusiasmante di questa ricerca è che è possibile utilizzare i dati relativi all'intero genoma di così tante cellule individuali per ipotizzare il ruolo dei singoli geni", spiega la ricercatrice. "Altrettanto entusiasmante per me è che questi sistemi modello prodotti nella piastra di Petri riflettono davvero la biologia dello sviluppo come la conosciamo dal topo".
? affascinante che si possa ottenere in un mezzo un tessuto auto-organizzato 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 formazione di modelli. "Questi organoidi sono davvero utili per la ricerca sulla 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 collaboratori stanno studiando la causa genetica dell'autismo o dell'eterotopia, in cui le cellule nervose non si trovano nella consueta localizzazione anatomica nella corteccia cerebrale, utilizzando tali organoidi.
Gli organoidi possono essere utilizzati anche per lo screening di farmaci ed 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 di organoidi richiede tempo e lavoro. Inoltre, ogni grumo di cellule 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"; questo, a sua volta, fa parte del programma "pagina esternaAtlante 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 quando, e quali geni potrebbero essere coinvolti nelle malattie. Il responsabile dell'Atlante cellulare umano è il professore di biologia del MIT Aviv Regev, che nel 2021 ha ricevuto un dottorato onorario dall'ETH di Zurigo. La professoressa Barbara Treutlein dell'ETH coordina la sottoarea "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.
Riferimento alla letteratura
Fleck JS, Jansen SMJ, Wollny D, Seimiya M, Zenk F, Santel M, He Z, Camp JG, Treutlein B. Inferenza e perturbazione dei regolomi del destino cellulare negli organoidi del cervello umano. Nature (2022), pubblicato online il 5 ottobre. Doi: pagina esterna10.1038/s41586-022-05279-8