I modelli di embrioni più avanzati finora imitano le prime due settimane di sviluppo umano

I modelli di embrioni più avanzati finora imitano le prime due settimane di sviluppo umano

Timestamp: 12 settembre 2023 3:00
I modelli embrionali più avanzati finora imitano le prime due settimane di sviluppo umano PlatoBlockchain Data Intelligence. Ricerca verticale. Ai.

Dimentica che lo sperma incontra l'uovo.

Utilizzando cellule staminali umane, gli scienziati hanno creato strutture simili a embrioni umani all'interno di piastre di Petri. Queste masse cresciute in laboratorio sviluppano strutture multiple che imitano un embrione umano dopo l’impianto nell’utero – una pietra miliare importante per la fertilità – e durano almeno 14 giorni.

Dieci anni fa, produrre strutture simili a embrioni, o embrioidi, senza cellule riproduttive sarebbe sembrato ridicolo. Ma man mano che gli scienziati delineano sempre più il contorto viaggio molecolare verso il concepimento umano, sta diventando possibile eliminare lo sperma e l’ovulo per sbirciare nella “scatola nera” dello sviluppo umano iniziale.

Sembra ancora un esperimento di Frankenstein. Ma lo sforzo non è macabra curiosità scientifica. Si sa molto poco delle prime settimane di gravidanza umana, quando lo sviluppo tende molto spesso ad andare storto. Studiare modelli che imitano queste prime fasi, senza la controversia dei campioni biologici, potrebbe aiutare le coppie che lottano per concepire e far luce sui misteri delle gravidanze premature perdute.

Un nuovo studio pubblicato in Natura dal veterano embrionale Dr. Jacob Hanna ora spinge avanti la sequenza temporale della gestazione in laboratorio. Il team ha trasformato le cellule staminali embrionali umane in embrioni che modellano i primi embrioni umani. Come le loro controparti biologiche, le macchie di laboratorio hanno sviluppato importanti “strati” di tessuti che definiscono le prime fasi dello sviluppo umano.

"Il dramma è nel primo mese, i restanti otto mesi di gravidanza sono principalmente molta crescita", disse Hanna. “Ma quel primo mese è ancora in gran parte una scatola nera. Il nostro modello di embrione umano derivato da cellule staminali offre un modo etico e accessibile di sbirciare in questa scatola”.

Ricetta per un embrione

Due anni fa, lo stesso team ha pubblicato un risultato di grande successo: l’incontro tra l’ovulo e lo sperma non è necessario per innescare la vita, almeno nei topi. Utilizzando cellule staminali di topo, il team ha scoperto una zuppa chimica che potrebbe spingere le cellule in strutture simili a embrioni all'interno di una capsula di Petri.

“L’embrione è la migliore macchina per la produzione di organi e la migliore biostampante 3D: abbiamo cercato di emulare ciò che fa”, disse Hanna in quel momento.

L'idea sembra relativamente semplice: tutte le cellule embrionali hanno il potenziale per diventare qualsiasi altro tipo di cellula. Ma queste cellule sono anche altamente sociali. A seconda del loro ambiente, ad esempio dei segnali chimici o ormonali che ricevono, si auto-organizzano in tessuti.

La coltura degli embrioni si basa su due progressi, entrambi del laboratorio Hanna.

Si pongono le cellule staminali revertite in uno stato completamente ingenuo: una tabula rasa che cancella ogni identità. Spesso pensiamo alle cellule staminali come a un gruppo uniforme, ma in realtà si trovano in uno spettro di sviluppo diverso. Ogni passo avanti guida lo sviluppo della cellula verso un tipo di cellula o organo specifico. Tuttavia, una cellula staminale ingenua ha il potenziale per crescere in qualsiasi parte del corpo.

Il riavvio completo alle cellule staminali naive rende più semplice l’integrazione delle cellule staminali nei loro ospiti, indipendentemente dal fatto che si tratti di esseri umani o topi.

Un altro progresso è un dispositivo controllato elettronicamente che bagna gli embrioni con ondate di sostanze nutritive. Come un pacemaker, la pompa simula il modo in cui i nutrienti investono gli embrioni nell'utero, controllando nel contempo i livelli di ossigeno e la pressione atmosferica.

In un studio di proof-of-concept, una piccola porzione di cellule di topi si è formata in strutture simili a embrioni. Si sono sviluppati in modo simile alle loro controparti naturali fino a circa la metà della loro normale gestazione. Entro otto giorni, gli embrioni avevano un cuore pulsante, cellule del sangue in circolazione, un mini-cervello con le sue pieghe classiche e un tratto digestivo.

“Se si danno a un embrione le giuste condizioni, il suo codice genetico funzionerà come una fila di tessere del domino preimpostate, disposte in modo da cadere una dopo l’altra,” disse Hanna in una precedente intervista. "Il nostro obiettivo era ricreare quelle condizioni e ora possiamo osservare, in tempo reale, come ogni domino colpisce quello successivo in fila."

Quasi umano

I topi non sono uomini. Hanna lo sa bene e il nuovo studio colma l'abisso.

Il primo passo? Preparare una cellula staminale umana riportandola allo stato ingenuo.

Con questa materia prima in mano, il team ha poi dato alle cellule identità diverse, chiamate lignaggi. Alcuni di questi si sviluppano in cellule che alla fine compongono l’embrione. Altri si trasformano in cellule di supporto, come quelle che compongono la placenta o costruiscono il sacco vitellino, un piccolo sacco arrotondato multitasking che sostiene la salute dell’embrione in via di sviluppo.

In altre parole, l’embrione umano in via di sviluppo iniziale è un ecosistema complesso. Quindi, non c'è da meravigliarsi che convincere le cellule staminali ingenue a ricoprire più ruoli è sfuggito a lungo ai produttori di embrioni. Eppure ogni singolo lignaggio diventa indispensabile dopo che ha avuto luogo un passo importante nello sviluppo umano iniziale, l’impianto. Quando un embrione fecondato si attacca alla parete uterina, innesca una miriade di cambiamenti essenziali per l’ulteriore sviluppo. È anche il momento in cui spesso si verifica la perdita dell'embrione.

Il nuovo studio si concentra sulla fase post-impianto, riproponendo il precedente protocollo embrioide murino del team per generare embrioni umani auto-organizzanti. Sorprendentemente, era più semplice.

Hanno dovuto ingegnerizzare geneticamente le cellule staminali dei topi per spingerle verso lignaggi diversi, dice il team. Con le cellule umane, hanno semplicemente modificato il bagno nutriente – senza la necessità di geni aggiuntivi – per attivare i programmi genetici nelle cellule staminali, trasformandole in tutti e tre i tipi di tessuti di supporto.

Man mano che gli embrioni maturavano, il team ha utilizzato una serie di strumenti molecolari e genetici per esaminarne la fedeltà. Nel complesso, le strutture somigliavano all’architettura 3D degli embrioni umani sviluppati naturalmente tra 7 e 14 giorni dopo la fecondazione. Alcune cellule hanno addirittura pompato la gonadotropina corionica umana (hCG), un ormone utilizzato per i test di gravidanza domestici. Tamponando le secrezioni delle cellule sul bastoncino si è ottenuto il risultato positivo su doppia linea.

Nel complesso, gli embrioidi hanno mostrato punti di riferimento chiave dello sviluppo di un embrione impiantato precocemente, ha affermato il team, senza la necessità di fecondazione o interazioni con l'utero materno.

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Razza embrionale

La squadra di Hanna non è l'unica a spingere avanti gli embrioni.

Nel giugno di quest'anno, seconda altre squadre embrioni ingegnerizzati che imitano gli embrioni umani dopo l'impianto. Le ricette e gli ingredienti sono diversi da quelli di Hanna. Uno studio, ad esempio, ha inserito una serie di potenti fattori genetici che hanno spinto le cellule staminali a diventare tessuti di supporto.

Gli scienziati non sono del tutto d'accordo su quali embrioni assomiglino meglio alla loro controparte naturale. Su un aspetto però concordano: le cellule staminali, nelle giuste condizioni, hanno un’incredibile capacità di auto-organizzarsi in strutture sempre più sofisticate, simili a quelle embrionali.

Per ora, l’embrioide di 14 giorni è pubblicizzato come “più avanzato" ancora.

Quattordici giorni rappresentano un limite rigoroso per la ricerca sugli embrioni umani naturali in molti paesi, in quanto non possono essere ulteriormente coltivati ​​in laboratorio. Tuttavia, gli embrioni non soddisfano la definizione di embrione e non sono soggetti alla limitazione di 14 giorni. In altre parole, gli embrioni umani potrebbero essere coltivati ​​ulteriormente lungo la linea temporale dello sviluppo. Il lavoro precedente mostra che è tecnologicamente possibile nei topi, con le cellule staminali che sviluppano organi semi-funzionali.

Se ti senti un po' spaventato, non sei solo. Gli embrioni stanno crescendo in stadi sempre più avanzati in una corsa agli armamenti per aprire la scatola nera dello sviluppo umano iniziale. Per ora, gli embrioni ottenuti da cellule staminali embrionali umane devono rispettare le normative vigenti. Tuttavia, quelli ottenuti da cellule staminali indotte, spesso utilizzando cellule della pelle riportate in uno stato simile alle cellule staminali, non sono soggetti ad alcuna regola.

Per essere chiari, gli embrioni non hanno la capacità di svilupparsi completamente in esseri umani. Tuttavia, a recente studio nelle scimmie hanno dimostrato che possono indurre una gravidanza quando trapiantate nell'utero, anche se in quel caso l'embrione veniva interrotto rapidamente e naturalmente. Sono in corso dibattiti su se e come regolare queste masse cellulari.

Per ora, il team di Hanna è concentrato sulla revisione della ricetta per aumentare l'efficienza. Ma come obiettivo a lungo termine, sperano di spingere ulteriormente l’embrioide per vedere se riescono a sviluppare organi rudimentali. Questi esperimenti “offriranno spunti su finestre precedentemente inaccessibili del primo sviluppo umano”, dicono.

Immagine di credito: Weizmann Institute of Science

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