Embrione umano su chip per sperimentare nuovi farmaci e trapianti

Non è una sorpresa che l’utilizzo di embrioni umani per la ricerca biologica e medica sia accompagnato da molte preoccupazioni etiche. Per quanto sia corretto procedere con cautela in queste materie, il fatto è che gran parte della scienza trarrebbe beneficio dall’essere in grado di studiare la biologia umana in modo più accurato.

Una soluzione si trova con strumenti alternativi: ciò che gli scienziati chiamano modelli in vitro. Ma nonostante alcuni progressi con i tessuti adulti, quando si tratta di modellare i primi processi di sviluppo dell’embrione umano, le cose diventano complicate.

Ora, gli scienziati dell’Istituto di Bioingegneria dell’EPFL hanno simulato aspetti della formazione dell’embrione in vitro a partire da cellule staminali embrionali.

“Un problema spinoso nella costruzione affidabile di tessuti al di fuori di un organismo in generale è come presentare le molecole di segnalazione chiave, anche denominate morfogeni, alle cellule in coltura al momento giusto e dose”, dice il professor Matthias Lütolf, il cui gruppo di ricerca ha guidato il ricerca.

“La semplice esposizione di una collezione di cellule staminali a una singola concentrazione di un morfogeno termina nella morfogenesi incontrollata perché le cellule mancano di istruzioni importanti”.

Ma in un embrione in via di sviluppo, le cellule staminali ricevono una gamma altamente dinamica di concentrazioni di morfogeni dai cosiddetti “centri di segnalazione”. È questo gradiente di morfogeni che indica alle cellule staminali quale tipo di cellula e tessuto specializzati diventare.

Per implementare questo principio, il dott. Andrea Manfrin nel laboratorio di Lütolf (nel Politecnico di Losanna) ha sviluppato un metodo per esporre le cellule staminali embrionali umane in coltura a gradienti di morfogeni, imitando le condizioni di vita reale della gastrulazione (una fase iniziale dell’embrione in via di sviluppo in cui le sue cellule iniziano a trasformarsi in diversi tipi di cellule e tessuti).

Il metodo prevede la crescita delle cellule staminali in un dispositivo microfluidico, che è un chip con piccoli canali che consentono il controllo preciso di piccole quantità di fluido. I ricercatori hanno coltivato cellule staminali in una camera di coltura sul chip microfluidico e sono state in grado di esporle a gradienti di concentrazione attentamente controllati di vari morfogeni.

I risultati sono stati impressionanti.

Le cellule si sono sviluppate e organizzate in domini di diversi tipi di cellule, a seconda della concentrazione a cui erano esposti, come fanno nel corpo. In effetti, gli scienziati riferiscono di essere riusciti a simulare con successo gli aspetti della gastrulazione, aprendo la strada alla crescita di specifici tessuti umani in laboratorio in modo più controllato.

“Abbiamo ipotizzato che l’ingegneria di un centro di segnalazione artificiale “ex vivo” (foto) potrebbe consentirci di guidare l’auto-organizzazione di una popolazione di cellule staminali verso un risultato desiderato”, spiega Manfrin. “Questo ha evidenti vantaggi per l’ingegneria dei tessuti e degli organi“.

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Questi vantaggi includono nuovi strumenti per i test antidroga e la medicina rigenerativa. La nuova tecnica può anche aiutare gli scienziati a studiare i processi relativi alla biologia dello sviluppo – come la gastrulazione – e potrebbe fornire alternative alla sperimentazione animale in alcune aree di ricerca.

“Uno dei nostri obiettivi a lungo termine è quello di ingegnerizzare organi per il trapianto“, dice Lütolf, che sta già lavorando con gruppi presso l’Ospedale universitario di Losanna (CHUV) e altrove per generare organi miniaturizzati (“organoidi“) da cellule derivate dal paziente.

“Siamo ancora lontani dalla crescita di organi funzionali in un piatto, ma i recenti progressi nella biologia delle cellule staminali e nella bioingegneria mi rendono ottimista sul fatto che questo può diventare una realtà, la chiave è capire meglio come le cellule stesse costruiscono tessuti e organi nell’embrione”.

La ricerca, pubblicata su Nature Methods e condotta dall’italiano Andrea Manfrin, apre alla possibilità di guidare lo sviluppo delle cellule staminali per ottenere tessuti e organi per sperimentare nuovi farmaci e per i trapianti. La tecnica consente di ottenere una riserva di staminali senza problemi etici.