Di Giuseppe Cammarata – Dottorando (Università di Coimbra – Portogallo)
Fino a pochi anni fa, la ricerca sui disturbi dello sviluppo cerebrale umano era molto limitata. Il principale ostacolo era di tipo etico, in quanto l’accessibilità a tessuti cerebrali umani vitali sulla quale effettuare esperimenti era scarsa. La controversia legata all’utilizzo di cellule umane derivanti da embrioni o da prelievo di cellule da tessuti vitali umani era la principale responsabile dell’esigua accessibilità a queste importanti risorse di studio.
Riprogrammazione cellulare e cellule staminali indotte
La soluzione a questo problema è arrivata solo pochi anni fa grazie alla scoperta della riprogrammazione cellulare. In biologia, la riprogrammazione è un processo che agisce su una cellula somatica, cioè già differenziata e specializzata per svolgere una funzione precisa (gli epatociti nel fegato, i neuroni nel cervello ecc.), portandola a uno stato di pluripotenza. Queste cellule pluripotenti, definite cellule staminali indotte, possono differenziarsi in molti tipi cellulari diversi, diventando ad esempio epatociti, neuroni, cellule della pelle. Grazie all’esposizione a fattori di trascrizione definiti “Yamanaka” siamo adesso in grado di riprogrammare cellule somatiche e riportarle allo stadio staminale con la quale è possibile produrre una gran varietà di cellule specializzate importanti non solo per lo sviluppo cerebrale, ma anche per altre malattie. L’aspetto più rivoluzionario e vantaggioso è che queste cellule somatiche possono essere ottenute facilmente dalla pelle oppure tramite un prelievo di sangue da soggetti adulti, sostituendo la necessità di prelievi invasivi o dell’utilizzo di cellule embrionali.
Le colture in 2D
L’uso delle cellule staminali umane in vitro nella ricerca biomedica ha portato a nuove innovazioni nella biologia dei disturbi neurodegenerativi e dello sviluppo neurologico. Lo studio su neuroni derivati da cellule staminali indotte, prelevate dai pazienti, ha permesso di approfondire nuovi aspetti dei disturbi dello sviluppo neurale umano, come ad esempio il disturbo dello spettro autistico. In particolare, lo studio su colture 2D (il classico “vetrino” su cui crescono le cellule in un unico strato piatto) ha portato a nuove informazioni su come i neuroni umani si sviluppano e maturano fino a raggiungere funzionalità che somigliano a quelle trovate in vivo. Nonostante la grande utilità delle colture 2D che hanno avuto nello studio delle malattie del neuro sviluppo, queste tecniche sono limitate nel riprodurre la architettura cellulare di un cervello umano in via di sviluppo.
Organoidi di cervello: colture tridimensionali
Ed è qui che entrano in gioco gli organoidi cerebrali. Questi, infatti, sono una tecnica alternativa alle colture 2D che puntano al superamento dei limiti sopracitati, con la creazione di complesse colture tridimensionali. Il metodo di coltura 3D si basa sull’intrinseca abilità delle cellule staminali di auto organizzarsi durante la differenziazione in neuroni o altri tipi di cellule specializzate. Questa differenziazione però non avviene su una superficie, come nelle colture 2D, ma in un ambiente che ne consente il libero sviluppo in tutte le direzioni, con il supporto di una matrice extracellulare. Questi aggregati cellulari che galleggiano nel mezzo di coltura sono pertanto in grado di riprodurre alcune delle caratteristiche strutturali specifiche dello sviluppo della corteccia umana: la separazione in distinti strati corticali con un’alta varietà di tipi cellulari; la migrazione neuronale fondamentale per la formazione degli strati corticali; e soprattutto la maturazione funzionale dei neuroni.
Organoidi e neurosviluppo
Gli organoidi cerebrali umani sono un modello in vitro che presenta diversi vantaggi, ma anche alcune limitazioni. Per certi aspetti e certi tipi di ricerche, gli organoidi potrebbero essere considerati una più che valida alternativa alla sperimentazione animale, in particolare nello studio del neurosviluppo e delle patologie ad esso collegate: lo sviluppo di strutture cerebrali, i meccanismi legati alla maturazione del cervello e i comportamenti che ne sono il diretto risultato possono rivelarsi più complessi e differenti se comparati a quelli degli animali modello. Con l’utilizzo degli organoidi cerebrali come modelli umani in vitro si potrebbe coprire quel vuoto presente tra i modelli animali e gli umani. Certo, sono presenti alcune limitazioni importanti, come l’impossibilità di condurre studi comportamentali sugli organoidi.
Per concludere, gli organoidi cerebrali sono colture in grado di riprodurre i primi stadi di sviluppo dello sviluppo neuronale. Con il tempo e con il perfezionamento di questa tecnica saremo in grado di dare un grandissimo contributo nello studio dei meccanismi che portano alla maturazione di un cervello umano, e questo ci aiuterà a capire come controllare e trattare le malattie del neurosviluppo. E poi diciamocelo: sono veramente fotogenici.
Nella figura si può apprezzare la zona simil ventricolare in rosso (positiva a SOX2 marker per i progenitori neuronali che andranno a formare le diverse stratificazioni), e i primi strati profondi in verde (positiva a CTIP2 marker per neuroni degli strati profondi). Dalla zona simil ventricolare i progenitori si moltiplicano e le cellule che si specializzano in neuroni migrano verso l’esterno formando i diversi strati della piastra corticale.
