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Organoidi cerebrali: un sistema nervoso in miniatura per la ricerca

Organoidi cerebrali

Organoidi cerebrali – Dalle Cellule Staminali un aiuto per la ricerca e l’alternativa alla sperimentazione animale

86 miliardi di neuroni connessi tra di loro mediante una fitta rete di sinapsi che durante lo sviluppo sono stati in grado di migrare nel punto giusto e di formare circuiti nel modo giusto per poter permette al sistema nervoso degli esseri umani di acquisire capacità uniche in natura. Questo è quello che rappresenta il cervello umano, forse l’organo del nostro corpo più complesso che ha da sempre rappresentato una sfida per i ricercatori di tutto il mondo che si sono avventurati nel cercare di spiegarne tutti i meccanismi nei minimi dettagli, di comprendere ogni singola funzione e di venire a capo di tutte le più svariate patologie che possono affliggerlo.

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Fino a questo momento, il principale “mezzo” sfruttato per la ricerca nel settore neurobiologico è stato rappresentato dall’uso di roditori, ossia gli animali da laboratorio che più si avvicinano dal punto di vista evolutivo all’uomo e che finora hanno permesso di ottenere già molti risultati in quest’ambito. Purtroppo, nonostante l’architettura cerebrale di topi ed esseri umani sia molto simile (si affidano alle stesse parti del cervello per eseguire processi mentali condivisi), c’è un limite a questo tipo di sperimentazioni rappresentato dal fatto che il cervello di un topo ha una superficie liscia, mentre quello umano è ripiegato a formare diverse circonvoluzioni.

Alla maggior parte dei lettori questa differenza potrebbe non sembrare così rilevante, ma in realtà è ciò che permette a un maggior numero di neuroni di alloggiare nello stesso volume, permettendo così a noi esseri umani di evolvere funzioni cerebrali sempre più complesse.

Dall’Accademia delle scienze a Vienna, però, il gruppo di ricercatori guidato da Juergen A. Knoblich sembra aver trovato una soluzione brillante per risolvere tale problema. Da sempre impegnati nello studio delle cellule staminali neurali e nello sviluppo del sistema nervoso, sono riusciti a ricreare quelli che sono stati definiti come “organoidi” e che altro non sono che delle strutture cerebrali estremamente simili al prosencefalo di un embrione di 10 settimane. Banalizzando, potrebbero essere visti come dei “mini-cervelli”.

A che cosa potranno mai servire diranno tanti lettori? Le applicazioni in realtà sono infinite dal mio punto di vista: studi su come una patologia che affligge il sistema nervoso ne influenzi lo sviluppo, su come un possibile patogeno ne danneggi le varie componenti, sull’effetto di farmaci sullo sviluppo cerebrale dell’embrione, sulle possibile “cure” delle patologie del sistema nervoso… la lista è veramente immensa. Ma, andiamo con ordine e cerchiamo di vedere nel dettaglio come è stato possibile generarli, le possibili applicazioni, i ri-scontri in ambito bioetico e i limiti che questa tecnologia presenta.

Come è possibile generare questi piccoli modelli di un sistema nervoso umano?

Per vedere il metodo che sta alla base della generazione di queste strutture cerebrali, preferisco fornirvi un breve elenco dei passaggi cruciali:

  • La procedura inizia con delle cellule staminali pluripotenti (cellule che possono dare origine a qualsiasi tipo cellulare del nostro organismo) che vengono ottenute mediante una tecnica, che ha permesso a Shinya Yamanaka dell’Università di Kyoto di aggiudicarsi il premio Nobel per la medicina nel 2012, definita come “riprogrammazione cellulare” che permette di ottenere cellule staminali pluripotenti a partire da cellule di un qualsiasi individuo già mature, senza quindi ricorrere allo “scomodo” utilizzo di cellule staminali embrionali che ci porterebbe ad incappare in problemi dal punto di vista etico.
  • Successivamente, queste cellule, poste in appropriati terreni, iniziano a dividersi e a formare dei corpi embrioidi, che, dopo tre giorni, formano i tre foglietti embrionali: mesoderma, ectoderma ed endoderma.
  • I corpi embrioidi sono posti in un liquido contenente delle sostanze nutritive che inducono la formazione della parte del feto (neuroectoderma) da cui si formerà il sistema nervoso
  • A questo punto, minuscole sfere di neuroectoderma sono poste in un Matrigel, ossia un mezzo ricco di sostanza che stimolano la divisione cellulare e forniscono un ambiente che permetta lo sviluppo di strutture cerebrali perfettamente formate
  • Come ultimo passaggio, gocce di Matrigel vengono poste in un bioreattore rotante, dove i corpi embrioidi evolvono in organoidi cerebrali, che appaiono come delle sfere bianche e tridimensionali, che a questo punto saranno pronte per gli studi in laboratorio

La tecnica, che, riassunta in questi brevi punti, sembra estremamente semplice, ha in realtà richiesto anni e anni di ricerca e di perfezionamenti. Dal mio personale punto di vista, il fatto di riuscire ad ottenere strutture paragonabili a dei mini-cervelli nel giro di 30 giorni rappresenta un enorme passo per la ricerca nel settore della neurobiologia.

CELLULE-IPS-RIPROGRAMMAZIONE

Quali sono i limiti degli organoidi?

Attualmente, il principale scopo dell’equipe di ricerca che si sta dedicando al progetto resta quello di perfezionare gli organoidi finora ottenuti. Un obiettivo ambizioso sarebbe quello di dotare queste strutture con una propria rete di vasi sanguigni, ottenuti tramite stampa tridimensionale oppure a partire da cellule staminali. Uno dei problemi riscontrati con i mini-cervelli, infatti, sta nel fatto che, al passare del tempo, le cellule di cui sono costituiti iniziano a morire data la mancanza di ossigeno e di nutrienti.

La presenza di una rete sanguigna propria sarebbe quindi un toccasana per il loro mantenimento. Un altro intento, invece, è quello di generare degli organoidi che abbiano una sorta di organizzazione spaziale simile a quella umana, secondo gli assi dorso-ventrale, rostro-caudale e destra-sinistra; fino ad ora, infatti, gli organoidi si mostrano semplicemente come degli agglomerati di cellule nervose che evolvono sì i giusti circuiti neurali, ma non si organizzano dal punto di vista spaziale come un cervello umano.

In questo senso, si dovrebbe riuscire a controllare le sostanze che nel nostro organismo creano dei gradienti tali da regolare l’organizzazione spaziale, ma qui il tutto si complica, e non poco purtroppo.

I vantaggi degli organoidi nell’ambito della ricerca sul sistema nervoso

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Evidenziati, quindi, i punti su cui sarà necessario un grande lavoro futuro da parte dei ricercatori impiegati nel progetto, cerchiamo di comprendere quali sono i principali vantaggi che gli organoidi cerebrali possono già fornirci. In primis, sarà possibile studiare nel dettaglio i geni sospettati di essere coinvolti nello sviluppo di determinate patologie.

Organoidi modificati per includere mutazioni probabilmente coinvolte in determinate malattie permetteranno ai ricercatori di comprendere se effettivamente queste alterazioni portano a qualche conseguenza a livello cerebrale oppure no. Inoltre, sarà possibile testare l’efficacia di farmaci ed altre terapie nella cura di patologie cerebrali, fra cui anche quelle neurodegenerative, che fino ad ora hanno rappresentato una delle sfide più ardue per la ricerca, dato che non sono ancora state trovate delle terapie che possano bloccare il processo inesorabile di decadimento del nostro cervello.

Nello stesso tempo, sarà anche possibile valutare se alcuni farmaci, utilizzati per altri scopi, causino in qualche modo delle alterazioni nello sviluppo cerebrale. Quest’ultima applicazione trova grande riscontro nella valutazione degli effetti di farmaci somministrati a donne in gravidanza, di modo da evitare altri casi, come quello del famoso talidomide, un farmaco che ha causato la nascita di un elevato numero di bambini con malformazioni e che veniva somministrato alle donne in gravidanza solamente per porre rimedio alle loro nausee mattutine.

Forse, lo studio sugli organoidi avrebbe salvato moltissime vite. Per non dilungarmi troppo, e senza addentrarmi nei vantaggi che questi mini-cervelli hanno per i biologi evoluzionisti, vorrei porre l’attenzione su un ultimo tipo di applicazione, ossia gli studi sull’effetto di patogeni sullo sviluppo cerebrale. Grazie all’uso degli organoidi cerebrali, infatti, sarà possibile scoprire quali sono le conseguenze di virus e batteri che attaccano il nostro cervello, come questi agiscano e come sarà possibile intervenire per bloccarli.

Un esempio molto attuale è il virus Zika, che ha causato la comparsa di microencefalia in molti neonati nati da donne infettate in gravidanza. Come avete potuto vedere da questo breve excursus, i mini-cervelli ci aiuteranno parecchio.

Organoidi per salvare gli animali da laboratorio

L’ultima parte del mio articolo vorrei dedicarla a un argomento già trattato precedentemente, ossia la sperimentazione animale. Come mai i mini-cervelli sono collegati alla sperimentazione vi chiederete? Ebbene, il nesso c’è eccome. Infatti, le ricerche fatte in quest’ambito porteranno ad evitare l’uso di molti animali da laboratorio, in quanto, in futuro, non sarà più necessario ricorrere al loro utilizzo, visto che si potrà disporre di un modello molto più affidabile ed adeguato a questo tipo di studi.

È vero che la strada è ancora lunga per ricreare ciò che in biologia è definito come un “organismo complesso”, però è sicuramente un grande passo avanti di cui tutti dovremmo essere a conoscenza, soprattutto per il fatto che avvalora ciò che ho sempre detto e sostenuto: la ricerca non ha nessun intento e non prova alcuna gioia nell’uso di animali da laboratorio, perché essi rappresentano un costo molto elevato e saremmo tutti più felici se si potesse evitare di sacrificare delle vite anche per degli scopi comunque elevati. Stiamo lavorando per voi, per migliorare la vita di tutti, ma è necessario darci fiducia e forse ascoltarci con maggior attenzione.

 

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