Gli scienziati sono riusciti a replicare in laboratorio il processo naturale di sviluppo embrionale dei mammiferi fino al punto di sviluppo del cervello e del cuore. Utilizzando cellule staminali, i ricercatori hanno creato embrioni di topo sintetici al di fuori dell'utero, riproducendo fedelmente il processo di sviluppo naturale nell'utero fino all'ottavo giorno e mezzo. Si tratta di una pietra miliare nella biologia sintetica. In futuro, questa scoperta guiderà gli studi sugli embrioni umani sintetici, che a loro volta potrebbero aprire la strada allo sviluppo e alla produzione di organi sintetici per i pazienti in attesa di trapianto.
Generalmente, per embrione si intende uno stadio di sviluppo intermedio nel processo riproduttivo naturale, che inizia con l'incontro di uno spermatozoo con un ovulo per formare uno zigote, il quale si divide per diventare un embrione , seguito successivamente dallo sviluppo in un feto e, al termine della gestazione, in un neonato.
I progressi nel trasferimento nucleare di cellule embrionali hanno portato, ad esempio, alla possibilità di saltare la fase di fecondazione dell'ovulo da parte dello spermatozoo. Nel 1984, è stato creato un embrione a partire da un ovulo in cui il nucleo aploide originale era stato rimosso e sostituito con il nucleo di una cellula embrionale donatrice, che si è poi sviluppata con successo in una madre surrogata, dando alla luce il primo agnello clonato. Con il perfezionamento del trasferimento nucleare di cellule somatiche (SCNT), nel 1996 è stata creata la pecora Dolly a partire da una cellula adulta matura. Questo è stato il primo caso di clonazione di un mammifero da una cellula adulta. Il caso di Dolly ha anche aperto la strada allo sviluppo di cellule staminali personalizzate. In entrambi i casi, non è stato utilizzato lo spermatozoo, ma è stato l'ovulo (con il nucleo sostituito) a svilupparsi in embrione. Pertanto, questi embrioni erano comunque naturali.
Sarebbe possibile creare embrioni senza il coinvolgimento nemmeno di un ovulo? In tal caso, tali embrioni sarebbero sintetici, in quanto non verrebbero utilizzati gameti (cellule sessuali). Attualmente, questi embrioni (o "simili a embrioni" o embrioidi) vengono creati di routine utilizzando cellule staminali embrionali (ESC) e coltivati in vitro in laboratorio.
Tra i mammiferi, i topi impiegano un periodo relativamente breve (19-21 giorni) per procreare, il che rende l'embrione di topo un modello di studio conveniente. Del totale, il periodo pre-impianto è di circa 4-5 giorni mentre i restanti 15 giorni (circa il 75% del totale) sono post-impianto. Per lo sviluppo post-impianto, l'embrione deve essere impiantato all'interno dell'utero, il che lo rende inaccessibile per l'osservazione esterna. Questa dipendenza dall'utero materno impone una barriera nelle indagini.
Il 2017 è stato un anno significativo nella storia della coltura di embrioni di mammiferi. Gli sforzi per creare embrioni di topo sintetici hanno ricevuto un impulso quando i ricercatori hanno chiaramente dimostrato che le cellule staminali embrionali hanno la capacità di autoassemblarsi e auto-organizzarsi in vitro per dare origine a strutture simili a embrioni che assomigliavano agli embrioni naturali per aspetti importanti 1,2 . Tuttavia, esistevano delle limitazioni dovute alle barriere uterine . È prassi comune coltivare embrioni pre-impianto in vitro , ma non era disponibile alcuna piattaforma affidabile per la coltura ex utero di embrioni di topo post-impianto (dagli stadi del cilindro ovulare fino all'organogenesi avanzata). Una svolta per ovviare a questo problema è arrivata lo scorso anno, nel 2021, quando un team di ricerca ha presentato una piattaforma di coltura efficace per lo sviluppo post-impianto di embrioni di topo al di fuori dell'utero materno. Si è scoperto che un embrione coltivato su questa piattaforma ex utero riproduceva con precisione lo sviluppo in utero 3 . Questo sviluppo ha superato le barriere uterine e ha permesso ai ricercatori di comprendere meglio la morfogenesi post-impianto, contribuendo così a portare il progetto dell'embrione sintetico a uno stadio avanzato.
Ora, due gruppi di ricerca hanno riferito di essere riusciti a far crescere un embrione di topo sintetico per 8.5 giorni, il periodo più lungo finora raggiunto. Questo lasso di tempo è stato sufficiente per lo sviluppo di organi distinti (come il cuore pulsante, il tubo intestinale, le pieghe neurali, ecc.). Quest'ultimo progresso è davvero straordinario.
Come riportato su Cell il 1° agosto 2022, il team di ricerca ha generato embrioni sintetici di topo utilizzando esclusivamente cellule staminali embrionali (ESC) naive al di fuori dell'utero materno. Hanno co-aggregato le cellule staminali e le hanno elaborate utilizzando la piattaforma di coltura recentemente sviluppata per la crescita prolungata ex utero , al fine di ottenere un embrione sintetico completo post-gastrulazione con compartimenti sia embrionali che extraembrionali. L'embrione sintetico ha raggiunto con successo le tappe fondamentali dello stadio di 8.5 giorni degli embrioni di topo. Questo studio evidenzia la capacità delle cellule pluripotenti naive di autoassemblarsi e auto-organizzarsi e di modellare l'intero embrione di mammifero oltre la gastrulazione⁴.
Nello studio più recente pubblicato su Nature il 25 agosto 2022, i ricercatori hanno utilizzato anche cellule staminali extraembrionali per estendere il potenziale di sviluppo delle cellule staminali embrionali (ESC). Hanno assemblato embrioni sintetici in vitro utilizzando ESC di topo, TSC e cellule iXEN che hanno riprodotto l'intero sviluppo embrionale naturale del topo nell'utero fino al giorno 8.5. Questo embrione sintetico presentava regioni di prosencefalo e mesencefalo ben definite, una struttura simile a un cuore pulsante, un tronco comprendente un tubo neurale, una gemma caudale contenente progenitori neuromesodermici, un tubo intestinale e cellule germinali primordiali. Il tutto era contenuto in un sacco extraembrionale⁵ . Pertanto, in questo studio l'organogenesi è risultata più avanzata e notevole rispetto allo studio riportato su Cell il 1° agosto 2022. Probabilmente, l'uso di due tipi di cellule staminali extraembrionali ha migliorato il potenziale di sviluppo delle cellule staminali embrionali in questo studio. È interessante notare che nello studio precedente sono state utilizzate solo cellule staminali embrionali (ESC) non trattate.
Questi risultati sono davvero notevoli in quanto questo è il punto più lontano finora negli studi sugli embrioni sintetici di mammiferi. La capacità di creare un cervello di mammifero è stato uno degli obiettivi principali della biologia sintetica. Ricreare il processo naturale dello sviluppo embrionale post-impianto in laboratorio supera la barriera uterina e consente ai ricercatori di studiare le prime fasi della vita che normalmente è nascosta nell'utero.
Nonostante le questioni etiche, i risultati degli studi sugli embrioni sintetici di topo guideranno gli studi sugli embrioni sintetici umani nel prossimo futuro che potrebbero inaugurare lo sviluppo e la produzione di organi sintetici per i pazienti in attesa di trapianto.
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Riferimenti:
- Harrison SE et al 2017. Assemblaggio di cellule staminali embrionali ed extraembrionali per imitare l'embriogenesi in vitro. SCIENZA. 2 marzo 2017. Vol 356, Numero 6334. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aal1810
- Warmflash A. 2017. Embrioni sintetici: Windows nello sviluppo dei mammiferi. Cellula Cellula staminale. Volume 20, Numero 5, 4 maggio 2017, pagine 581-582. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2017.04.001
- Aguilera-Castrejon, A., et al. 2021. Embriogenesi di topo ex utero dalla pre-gastrulazione all'organogenesi tardiva. Natura 593, 119–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3
- Tarazi S., ed el 2022. Embrioni sintetici post-gastrulazione generati ex utero da ESC ingenui di topo. Cellula. Pubblicato: 01 agosto 2022. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.028
- Amadei, G., et al 2022. Gli embrioni sintetici completano la gastrulazione alla neurulazione e all'organogenesi. Pubblicato: 25 agosto 2022. Natura. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05246-3
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