I primi embrioni chimera scimmia-uomo: tra medicina rigenerativa e limiti alla ricerca

Riuscire a ricreare chimere interspecie con cellule staminali pluripotenti estese umane (hEPSC) rappresenta, ad oggi, un metodo sperimentale alternativo utilizzato per valutare la pluripotenza hPSC in vivo e potrebbe, in futuro, costituire una strategia promettente per varie applicazioni nella medicina rigenerativa, compresa la generazione di organi e tessuti per i trapianti.

Nello studio pubblicato su Cell lo scorso 15 Aprile Izpisúa Belmonte, biologo dello sviluppo presso il Salk Institute for Biological Studies di La Jolla, California, e colleghi hanno coltivato con successo per la prima volta nella storia embrioni di scimmia contenenti cellule umane e li hanno osservati svilupparsi. Dalle osservazioni, è emerso che le cellule umane e di scimmia si dividono e crescono insieme, con almeno 3 embrioni che sopravvivono fino a 19 giorni dopo la fecondazione.

«Il messaggio generale è che ogni embrione conteneva cellule umane che proliferano e si differenziano in misura diversa».

Lo studio

Nel corso dell’esperimento, gli scienziati hanno osservato il fenomeno del cross-talk cellulare nelle chimere dell’embrione scimmia-uomo che, coinvolgendo due specie più strettamente correlate, potrebbe suggerire anche modi per migliorare la vitalità dei futuri modelli uomo-topo. Già nel 2017, infatti, i membri di questo gruppo di ricerca avevano segnalato una serie di altri ibridi. Ad esempio, avevano portato avanti uno studio sui suini che vedeva l’utilizzo di cellule della pelle umana che erano state riprogrammate in cellule staminali. In quel caso particolare, gli embrioni si erano sviluppati in suini madri surrogate per 3-4 settimane, ma solo una cellula su 100.000 era umana.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno fecondato le cellule uovo estratte dalle scimmie cynomolgus (Macaca fascicularis) e le hanno coltivate. A sei giorni dalla fecondazione il team ha iniettato, in 132 embrioni, cellule staminali pluripotenti estese umane che possono svilupparsi in una vasta gamma di tipi cellulari. Ciascuno degli embrioni, poi, ha sviluppato combinazioni uniche di cellule umane e di scimmia e sono rimaste vitali in numero e tempo variabili:

• 11 giorni dopo la fecondazione, 91 embrioni erano vivi;
• 17 giorni dopo la fecondazione, 12 embrioni erano vivi;
• 19 giorni dopo la fecondazione, solo 3 embrioni erano vivi.

Fino ad oggi, l’uso di hPSC per gli studi in specie ospiti evolutivamente vicine all’uomo era rimasto inesplorato. Nonostante ciò, lo studio di questo tipo di chimere può rappresentare un importante strumento per la ricerca perchè è possibile ottenere risultati che aiutino a comprendere meglio come avvenga lo sviluppo umano, l’evoluzione dei primati e permette anche di sviluppare strategie per migliorare il chimerismo umano in specie evolutivamente distanti.

É però importante tenere a mente cosa abbia potuto determinare anche l’alto tasso di insuccessi dopo appena due settimane di sperimentazione. Infatti Magdalena Zernicka-Goetz, biologa dello sviluppo presso il California Institute of Technology di Pasadena, afferma che:

«Questo documento è una dimostrazione drammatica della capacità delle cellule staminali pluripotenti umane di essere incorporate negli embrioni di scimmia cynomolgus quando vengono introdotte nelle blastocisti di scimmia».

E allo stesso tempo ha notato come il team che ha lavorato a questa pubblicazione, come altri in passato, non è stato in grado di controllare quali cellule si fossero sviluppate in quali tessuti, un passaggio chiave da padroneggiare prima che tali modelli possano essere effettivamente utilizzati.

Requisiti per una blastocisti interspecie di successo

Per poter ottenere blastocisti interspecie di successo, bisogna tener conto della cosiddetta “competenza chimerica“: ovvero, la capacità delle cellule staminali pluripotenti umane di contribuire alla formazione di chimere. Fino ad ora, le hPSC non hanno mai contribuito in modo consistente e robusto alla formazione di chimere. Questo è stato sempre associato a un chimerismo in qualche modo limitato dalla distanza evolutiva dell’animale rispetto all’uomo. Nonostante ciò, lo studio delle cellule staminali pluripotenti coltivate è fondamentale perchè riflettono il continuum della pluripotenza che c’è in vivo. In vitro, infatti, si possono ottenere diverse formulazioni di colture cellulari con stati di pluripotenza distinti che mostrano caratteristiche trascrizionali, epigenetiche e metaboliche differenti. In questo modo, le hPSC differiscono anche nel loro potenziale chimerico quando vengono introdotte in embrioni animali.

Analisi dello studio

Nello studio preso in esame, gli scienziati hanno identificato cellule staminali pluripotenti estese umane (hEPSC) che hanno dimostrato capacità chimeriche migliorate rispetto a tutti gli esperimenti svolti fino ad oggi in questo campo. Parrebbe, infatti, che le hEPSC si integrano nelle masse cellulari interne (ICM) delle blastocisti tardive di scimmia e contribuiscano a diversi lignaggi cellulari nelle fasi peri-impianto e nella fasi iniziali post-impianto.

I ricercatori, hanno determinato la traiettoria di differenziazione delle hEPSC mediante analisi di sequenziamento dell’RNA (scRNA-seq) e, così, rivelato differenze trascrittomiche tra le cellule in embrioni chimerici uomo-scimmia rispetto ai casi controllo. Inoltre, hanno raccolto informazioni sui meccanismi che coinvolgono le interazioni cellula-cellula e l’accoppiamento ligando-recettore. Aver potuto identificare una serie di percorsi di segnalazione (ad esempio, MAPK e PI3K-AKT) è molto interessante; pone le basi per determinare in che modo, se questi percorsi vengono modulati nelle hPSC donatrici e/o negli embrioni coltivati, si possa migliorare il chimerismo interpsecie negli studi futuri.

Cos’è una chimera

Lo studio pubblicato sulla rivista scientifica Cell ha come titolo: “Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo“. In merito a quanto discusso finora, è bene considerare quanto la ricerca abbia fatto grandi passi avanti nello studio dei cosiddetti embrioni “chimera”. Si tratta di individui le cui cellule derivano da due diverse uova fecondate, unite accidentalmente o sperimentalmente.

Nel corso degli anni, la scienza ha imparato sempre più a “maneggiare” gli embrioni modificando le istruzioni contenute all’interno del loro materiale genetico. In questo modo, è possibile portare delle cellule a moltiplicarsi e specializzarsi in organi e tessuti che lo sperimentatore desidera ottenere. Sempre in questo stesso settore, i ricercatori possono inoltre ridurre le capacità dell’embrione di differenziare lo sviluppo cellulare inserendo successivamente cellule staminali umane. In seguito a questo inserimento, l’embrione svilupperà un organo con una certa concentrazione di cellule umane che sarà, quindi, un organo ibrido. Questo può essere espiantato e utilizzato successivamente su un essere umano, riducendo così i rischi legati al rigetto.

Questo processo nella pratica non ha sempre portato a risultati soddisfacenti, anzi. In tal senso, più di recente, sono stati molto importanti i progressi sui sistemi di coltura 2D e 3D che però hanno come grande limite l’incapacità di replicare la complessità del contesto in vivo. Per questi motivi, sebbene il modello ex vivo scimmia-uomo riportato in questo studio è meno accessibile, porta il vantaggio di studiare lo sviluppo umano in un contesto che cattura le interazioni cellulari dinamiche spazio-temporali da diversi tessuti. Con il progredire della ricerca, tutti questi modelli saranno preziosi e complementari per aiutare a comprendere meglio le varie fasi dello sviluppo umano.

Il dibattito sugli animali ibridi

Sul versante più prettamente etico, la notizia dei primi embrioni chimera scimmia-uomo è stata accolta fra le perplessità di parte della comunità scientifica. A sollevare i dubbi è la stessa rivista Cell che ha pubblicato l’articolo, ma non solo. Tra coloro che hanno dimostrato di avere delle riserve sull’efficacia pratica di tale sperimentazione, anche il genetista Giuseppe Novelli dell’Università di Roma Tor Vergata:

«Non sono pochi gli interrogativi che questo esperimento solleva: non solo di natura squisitamente tecnica e scientifica. Siamo sicuri che questa sia una strada che porta alla formazione di organi funzionanti? Siamo certi che dobbiamo utilizzare embrioni chimera, se è possibile ottenere organoidi da cellule staminali indotte di una sola specie?».

Nonostante il gruppo di ricerca ha precisato di aver seguito le indicazioni diffuse dai comitati etici sulle sperimentazioni con embrioni chimera, alcuni scienziati hanno messo in luce come questo tipo di esperimenti possa nuocere all’intero settore. Infatti, può essere recepito negativamente dal pubblico e dai governi, provocando limitazioni a un ambito della ricerca che in generale offre grandi opportunità. Proprio per questi motivi molti paesi, inclusi gli Stati Uniti, il Regno Unito, l’Italia e il Giappone, hanno una ricerca limitata sulle chimere che coinvolgono cellule umane. Il Giappone ha, però, revocato il divieto di esperimenti con embrioni animali contenenti cellule umane nel 2019 e ha iniziato a finanziare lo studio lo stesso anno. A breve si arricchirà il dibattito attorno a queste sperimentazioni, quando la  Società internazionale per la ricerca con le staminali (ISSCR) diffonderà nuove linee guida per l’intero settore.

Fonti

• Tao Tan, Jun Wu, Chenyang Si, …, Weizhi Ji, Yuyu Niu, Juan Carlos Izpisua Belmonte – Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo; Cell 184, 2020–2032 April 15, 2021; https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0092-8674%2821%2900305-6
• https://www.sciencemag.org/news/2021/04/lab-grown-embryos-mix-human-and-monkey-cells-first-time
• https://www.nature.com/articles/d41586-021-01001-2
• https://www.ilpost.it/2021/04/16/embrioni-chimera-scimmie-umani/

Crediti immagini

• Immagine in evidenza: https://tethys-pma.it/transfer-allo-stadio-di-blastocisti/
• Figura 1: https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0092-8674%2821%2900305-6
• Figura 2: Weizhi Ji, Kunming University of Science and Technology