Un gruppo di ricercatori ha cresciuto tessuto cerebrale che contiene distinte regioni che imitano differenti strutture funzionali del cervello in fase di sviluppo.
di Susan Young
Mini cervello: Un organoide derivato da cellule staminali contiene diverse regioni del cervello. Il colore verde mostra i neuroni, mentre il rosa e il rosso mostrano le cellule staminali neuronali.
Scienziati dell’Institute of Molecular Biotechnology di Vienna, in Austria, hanno cresciuto tessuti cerebrali umani tridimensionali partendo da cellule staminali. I tessuti formano distinte strutture che possono essere trovate nel cervello in via di sviluppo.
I ricercatori di Vienna hanno scoperto che, rispettando le giuste condizioni in coltura, cellule non mature del cervello derivate dalle cellule staminali si organizzano autonomamente in tessuti simili a quello cerebrale. Gli “organoidi cerebrali”, come vengono chiamati dai ricercatori, sono cresciuti fino a quattro millimetri di dimensione e possono sopravvivere fino a dieci mesi.
Per decenni, gli scienziati sono stati in grado di prendere cellule da animali e umani e di crescerle in piastre di Petri, ma nella maggior parte dei casi questo veniva effettuato in due dimensioni, con le cellule che venivano cresciute in sottili strati delle piastre.
Negli ultimi anni, però, i ricercatori hanno sviluppato tecniche per la coltura di tessuti grazie alle quali è ora possibile crescere in laboratorio tessuti cerebrali tridimensionali.
Il nuovo rapporto del team austriaco dimostra che, permettendo a cellule cerebrali immature di organizzarsi autonomamente, è possibile ottenere uno tra i tessuti più grandi e complessi mai cresciuti in laboratorio, con distinte subregioni e segni di neuroni funzionali.
Il lavoro, pubblicato su Nature mercoledì, costituisce l’ultimo progresso di un campo concentrato sulla creazione di colture di tessuti neurali e di celle correlate per consentire lo studio delle funzioni cerebrali, delle malattie e delle cure possibili.
Con un modello sistemico basato su una cella che imita l’architettura naturale del cervello, i ricercatori sarebbero in grado di osservare in che maniera certe malattie si manifestano, ed analizzare le potenziali cure per la loro tossicità o la loro efficacia in un contesto più naturale, dice Ania Kune, una neuro-ingegnera della University of California di Los Angeles che ha sviluppato colture tridimensionali di tessuti cerebrali per studiare l’Alzhemier.
I ricercatori austriaci hanno indotto i neuroni coltivati a disporsi secondo un’organizzazione tridimensionale utilizzando materiali compatibili con le cellule per fungere da scaffolding all’interno delle colture. Il team ha inoltre lasciato ai progenitori dei neuroni al loro destino. “Le cellule staminali hanno una sorprendente capacità di organizzarsi autonomamente”, ha detto la prima autrice dello studio, Madeline Lancaster, durante una conferenza stampa tenuta martedì. Recentemente, altri gruppi sono riusciti con successo a permettere a cellule progenitrici di auto-organizzarsi, portando a rapporti di prime strutture oculari, boccioli di fegato ed altro (vedi “Growing Eyeballs” e “Un fegato “rudimentale” viene fatto crescere da cellule staminali adulte“).
Il tessuto cerebrale ha formato distinte regioni che possono essere trovate nel cervello umano durante le sue prima fasi di sviluppo, incluse regioni che rassomigliavano parti della corteccia, della retina, e strutture che producevano fluido cerebrospinale. Durante la conferenza stampa, Juergen Knoblich, ha detto che, sebbene vi siano stati numerosi tentativi di modellare un tessuto cerebrale umano in coltura utilizzando cellule umane, il complesso organo umano si è dimostrato difficile da replicare. Knoblich dice che il proto-cervello rassomiglia lo stadio evolutivo del cervello di un feto di nove settimane.
Mentre il gruppo di Knoblich si concentra su questioni evolutive, altri gruppi stanno sviluppando colture tridimensionali di tessuto cerebrale nella speranza di trattare malattie degenerative o lesioni cerebrali. Un gruppo del Georgia Institute of Technology ha sviluppato una coltura neurale tridimensionale per studiare le lesioni cerebrali, con l’intenzione di identificare biomarcatori che potrebbero essere utilizzati per diagnosticare le lesioni e i possibili farmaci adatti per riparare i neuroni danneggiati.
“E’ importante imitare l’architettura cellulare del cervello nel miglior modo possibile, perché la risposta meccanica di quel tessuto dipende molto dalla sua struttura tridimensionale”, spiega l’ingegnera biomedica Michelle LaPlaca, della Georgia Tech.
Traumi fisici alle cellule di una coltura tridimensionale metteranno alla prova le connessioni tra le cellule e il materiale di supporto, conosciuto come matrice extracellulare, dice.
Altri ricercatori stanno sviluppando colture tridimensionali di tessuto cerebrale per affrontare domande fondamentali sul funzionamento del cervello.
Utkan Demirci, un ingegnere biomedico della Harvard Medical School, nonché un MIT Technology Review Innovator Under 35 del 2006, ha comunicato in precedenza quest’anno che tecniche di micro-fabbricazione avevano permesso al suo gruppo di costruire colture neurali tridimensionali.
Il laboratorio di Demirci sta ora utilizzando registrazioni elettriche ed altri studi funzionali per mostrare che esiste un’attività sinaptica tra i neuroni. “Quando cresci queste cellule in tre dimensioni, le braccia dei neuroni si possono estendere come fanno nei tessuti nativi e costruire un circuito”, dice. “Una volta dimostrato che sono funzionanti, possiamo fare molti studi interessanti su di essi, ed esplorare persino l’ipotesi di studi sulla mappatura del cervello”.
Una volta confermato il successo dei loro metodi con cellule staminali di topi, Knoblich, Lancaster e colleghi hanno utilizzato i metodi per studiare l’evoluzione umana di un disordine genetico che provoca la microcefalia, una condizione in cui le dimensioni del cervello restano notevolmente ridotte e che viene associata a severe disabilità cognitive.
Il team ha lavorato con un team neurologo pediatrico per ottenere cellule della pelle di un paziente affetto da microcefalia. Da queste cellule, il team ha creato cellule staminali pluripotenti indotte (vedi “TR10: Engineered Stem Cells“).
I ricercatori hanno quindi riprogrammato geneticamente queste cellule in neuroni primitivi e, con un paio di passaggi, le hanno raccolte in un organoide cerebrale all’interno del quale sono stati in grado di osservare alcuni indizi sulle origini della malattia.
In futuro, il team desidererebbe utilizzare il sistema di tessuti cerebrali per studiare la schizofrenia e l’autismo – disordini cognitivi che vengono solitamente diagnosticati negli adolescenti o negli adulti ma che si considera abbiano inizio nei primi stadi evolutivi del cervello.
(MO)
