Gli scienziati del Politecnico di Zurigo hanno aperto una nuova strada coltivando in laboratorio oltre 400 tipi di cellule nervose a partire da cellule staminali. Questo risultato supera i tentativi precedenti, in cui era possibile produrre solo poche decine di cellule. Attraverso esperimenti sistematici con combinazioni di morfogeni e regolatori genici, i ricercatori sono riusciti a riprodurre l’enorme diversità di neuroni del cervello umano. Questa scoperta è molto promettente per la ricerca sulle malattie neurologiche come l’Alzheimer e il Parkinson, per lo sviluppo di modelli più accurati per la sperimentazione di farmaci e, in ultima analisi, anche per le terapie di sostituzione dei neuroni.
Varietà di diversi tipi di cellule nervose
Le cellule nervose non sono solo cellule nervose. Secondo i calcoli più recenti, nel cervello umano esistono dalle centinaia alle migliaia di tipi diversi di cellule nervose, a seconda della precisione con cui le distinguiamo. Questi tipi di cellule si differenziano per la loro funzione, per il numero e la lunghezza dei processi cellulari e per le connessioni tra di loro. Rilasciano diverse sostanze messaggere nelle sinapsi e, a seconda della regione del cervello, ad esempio nella corteccia cerebrale o nel mesencefalo, sono attivi diversi tipi di cellule.
In passato, quando gli scienziati producevano cellule nervose da cellule staminali in capsule di Petri per i loro esperimenti, non era possibile tenere conto della loro enorme diversità. Finora i ricercatori avevano sviluppato solo metodi per far crescere in vitro alcune decine di tipi di cellule nervose diverse. Lo hanno fatto utilizzando l’ingegneria genetica o aggiungendo molecole di segnalazione per attivare determinate vie di segnalazione cellulare. Tuttavia, non si sono mai avvicinati alle centinaia o migliaia di tipi di cellule nervose esistenti.
Lo screening sistematico come chiave del successo
“I neuroni derivati dalle cellule staminali sono spesso utilizzati per la ricerca sulle malattie. Finora, però, i ricercatori hanno spesso ignorato gli esatti tipi di neuroni con cui stavano lavorando”, spiega Barbara Treutlein, docente presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Biosistemi del Politecnico di Zurigo a Basilea. Tuttavia, questo non è l’approccio migliore per questo tipo di lavoro. “Se vogliamo sviluppare modelli di colture cellulari per malattie e disturbi come l’Alzheimer, il Parkinson e la depressione, dobbiamo tenere conto del tipo specifico di cellule nervose interessate”.
Treutlein e il suo team sono riusciti a produrre oltre 400 tipi diversi di cellule nervose. Gli scienziati hanno così aperto la strada a una ricerca neurologica di base più precisa con esperimenti di coltura cellulare. I ricercatori dell’ETH hanno ottenuto questo risultato lavorando con una coltura di cellule staminali pluripotenti indotte umane ottenute da cellule del sangue. Utilizzando l’ingegneria genetica, hanno attivato alcuni geni regolatori neuronali in queste cellule e le hanno trattate con vari morfogeni, una speciale classe di molecole di segnalazione. Treutlein e il suo team hanno proceduto in modo sistematico e hanno utilizzato sette morfogeni in diverse combinazioni e concentrazioni nei loro esperimenti di screening. Ne sono risultate quasi 200 condizioni sperimentali diverse.
I morfogeni sono sostanze messaggere conosciute dalla ricerca embrionale. Non sono distribuiti uniformemente nell’embrione, ma sono presenti in diverse concentrazioni e formano schemi spaziali. In questo modo, determinano la posizione delle cellule nell’embrione, ad esempio se una cellula si trova vicino all’asse del corpo o nella parte posteriore, nell’addome, nella testa o nel tronco. I morfogeni contribuiscono quindi a determinare cosa cresce dove nell’embrione. Grazie a varie analisi, i ricercatori sono riusciti a dimostrare di aver prodotto oltre 400 tipi diversi di cellule nervose nel loro esperimento. Hanno analizzato l’RNA (e quindi l’attività genetica) a livello di singole cellule, nonché l’aspetto esterno delle cellule e la loro funzione: ad esempio, che tipo di estensioni cellulari avevano e in che quantità, e quali impulsi elettrici nervosi emettevano.
I ricercatori hanno poi confrontato i loro dati con le informazioni contenute nelle banche dati sui neuroni del cervello umano. Ciò ha permesso di identificare i tipi di cellule nervose prodotte, ad esempio quelle presenti nel sistema nervoso periferico o nelle cellule cerebrali, nonché la parte del cervello da cui provengono, e se percepiscono il dolore, il freddo o il movimento, e così via.
Ricerca sulle malattie neurologiche gravi
Treutlein sottolinea che c’è ancora molta strada da fare prima di poter produrre in vitro tutti i tipi di cellule nervose esistenti. Tuttavia, i ricercatori hanno ora accesso a un numero molto maggiore di tipi di cellule diverse rispetto al passato. Vogliono utilizzare le cellule nervose in vitro per sviluppare modelli di coltura cellulare per la ricerca su gravi malattie neurologiche come la schizofrenia, l’Alzheimer, il Parkinson, l’epilessia, i disturbi del sonno e la sclerosi multipla. Questi modelli di coltura cellulare sono di grande interesse anche per la ricerca farmaceutica, per testare l’effetto di nuove sostanze attive in colture cellulari senza test sugli animali, con l’obiettivo di poter un giorno curare queste malattie.
In futuro, le cellule potrebbero essere utilizzate anche per la terapia di sostituzione cellulare, in cui le cellule nervose malate o morte del cervello vengono sostituite da nuove cellule umane. Prima che ciò sia possibile, tuttavia, c’è ancora una sfida da superare: Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno spesso prodotto una miscela di diversi tipi di cellule nervose. Ora stanno lavorando per ottimizzare il loro metodo in modo da produrre solo un tipo specifico di cellule nelle rispettive condizioni sperimentali. Hanno già le prime idee su come raggiungere questo obiettivo.