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I mini-cervelli in grado di sviluppare occhi rudimentali

In un recente studio, pubblicato sulla rivista Cell Stem Cell, mini-cervelli, cresciuti in laboratorio a partire da cellule staminali, hanno sviluppato spontaneamente strutture simili a occhi rudimentali. Su questi minuscoli organoidi cerebrali di derivazione umana, coltivati in vitro, gli scienziati dell’ospedale universitario di Düsseldorf, in Germania, hanno osservato la crescita bilateralmente di due coppe ottiche simmetriche, che rispecchiano lo sviluppo delle strutture oculari negli embrioni umani. Questo incredibile risultato potrà migliorare la comprensione del processo di differenziazione e sviluppo degli occhi, nonché dei meccanismi all’origine di molte malattie oculari.

“Il nostro lavoro mette in evidenza la notevole capacità degli organoidi cerebrali di generare strutture sensoriali primitive sensibili alla luce e che ospitano tipi di cellule simili a quelle che si trovano nel corpo umano” – ha affermato il neuroscienziato Jay Gopalakrishnan dell’ospedale universitario di Düsseldorf –“Questi mini-cervelli potranno essere utili nello studio delle interazioni cervello-occhi durante lo sviluppo dell’embrione. Inoltre, permetteranno di avere un modello per studiare i disturbi retinici congeniti e di generare cellule retiniche specifiche dei singoli pazienti per eseguire test farmacologici personalizzati e trapianti”.

Gli organoidi cerebrali chiaramente non sono veri cervelli. Si tratta, invece, di piccole strutture tridimensionali cresciute a partire da cellule staminali pluripotenti indotte – cellule raccolte da esseri umani adulti e riprogrammate in cellule staminali – che hanno il potenziale di differenziarsi in molti tipi di tessuti.

In questo caso specifico, le cellule staminali sono state spinte a crescere differenziandosi in tessuto cerebrale. Questi “mini cervelli” vengono utilizzati per scopi di ricerca in cui l’utilizzo di cervelli viventi reali sarebbe impossibile, o quanto meno eticamente complicato. Sono utili, ad esempio, per testare le risposte ai farmaci o per osservare lo sviluppo cellulare in determinate condizioni avverse.

In precedenti ricerche, altri scienziati avevano utilizzato cellule staminali embrionali per coltivare coppe ottiche, le strutture da cui hanno origine i globi oculari durante lo sviluppo embrionale. E altri gruppi avevano sviluppato strutture ottiche simili a partire da cellule staminali pluripotenti indotte. Piuttosto che coltivare direttamente queste strutture, il team di Gopalakrishnan aveva come obiettivo quello di coltivarle come parte integrante degli organoidi cerebrali, con il vantaggio di poter osservare come i due tipi di tessuto potessero crescere insieme e interagire.

“Lo sviluppo degli occhi è un processo complesso e comprenderlo potrebbe consentire di conoscere meglio le basi molecolari delle malattie della retina” – hanno scritto i ricercatori nel loro articolo – “Pertanto, è fondamentale studiare le vescicole ottiche, presenti all’inizio dello sviluppo embrionale dell’occhio, la cui estremità prossimale è attaccata al proencefalo, essenziale per la corretta formazione delle strutture oculari”.

In un lavoro precedente, durante lo sviluppo degli organoidi, gli scienziati avevano già osservato la presenza di cellule retiniche, ma queste non avevano sviluppato strutture ottiche. Quindi, il team ha cambiato protocollo sperimentale e, attraverso l’aggiunta di acetato di retinolo al terreno di coltura, ha aiutato il differenziamento oculare. In queste condizioni, i mini-cervelli formavano coppe ottiche già a 30 giorni di sviluppo, con le strutture chiaramente visibili a 50 giorni e ciò risulta coerente con le tempistiche dello sviluppo degli occhi nell’embrione umano, il che significa che questi organoidi potrebbero essere utili per studiare le complessità di questo processo.

Ci sono anche altre implicazioni: le coppe ottiche ottenute in questo studio contenevano diversi tipi di cellule retiniche, organizzate in reti neurali, che rispondevano alla luce e contenevano persino un cristallino e del tessuto corneale. Infine, le strutture hanno mostrato connettività retinica con le regioni del tessuto cerebrale. “Nel cervello dei mammiferi, le fibre nervose delle cellule gangliari della retina si estendono per connettersi con i loro bersagli cerebrali, un aspetto che non è mai stato mostrato prima in un sistema in vitro”, ha detto Gopalakrishnan.

Questi risultati si sono dimostrati riproducibili: dei 314 organoidi cerebrali coltivati dal team, il 73% ha sviluppato coppe ottiche. Il gruppo di ricerca spera di mettere a punto nuove strategie per mantenere queste strutture in coltura su scale temporali più lunghe, per eseguire ricerche più approfondite.

“Si possono sviluppare organoidi cerebrali contenenti vescicole ottiche che mostrano tipi di cellule neuronali altamente specializzate, aprendo la strada alla generazione di organoidi personalizzati e fogli di epitelio retinico per il trapianto” – hanno scritto gli scienziati nel loro articolo – “Riteniamo, inoltre, che questi organoidi di nuova generazione saranno utili per studiare le retinopatie che insorgono nei primi stadi dello sviluppo neurologico”.

 

Bibliografia

Elke Gabriel et al., Human brain organoids assemble functionally integrated bilateral optic vesicles, Cell Stem Cell 28, 1–18, October 7, 2021 https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.07.010