Nuove frontiere nelle neuroscienze: gli organoidi cerebrali

I progressi delle neuroscienze hanno rivelato la sconcertante complessità dei sistemi nervosi anche degli organismi più “semplici”, come il verme nematode Caenorhabditis elegans, il cui sistema nervoso è composto da 302 neuroni e circa 7000 sinapsi. Molti meccanismi molecolari alla base della fisiologia del cervello umano restano inesplorati. Quali modelli di studio utilizzare nelle neuroscienze? Gli organoidi cerebrali o “mini-cervelli” rappresentano una delle risposte più recenti.

Organi in miniatura

Gli organoidi sono strutture biologiche 3-D, che si formano da diversi tipi di cellule staminali capaci di differenziarsi in cellule specializzate e di organizzarsi per formare delle versioni elementari di organi. Per ottenerli, i ricercatori effettuano delle colture in laboratorio di cellule staminali pluripotenti, che si moltiplicano in condizioni in vitro simili a quelle del microambiente presente nel corpo umano durante lo sviluppo embrionale. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno prodotto organoidi simili per struttura e funzione a retina, intestino, reni, pancreas, fegato, orecchio interno, oltre a organoidi che mimano diverse strutture cerebrali come mesencefalo, ipotalamo, ipofisi, cervelletto. Le dimensioni degli organoidi possono variare da meno della larghezza di un capello a cinque millimetri.

organoide neuronale — *Figura 1 – Organoide neuronale [Fonte: Vaccarino Lab, Yale University]*

Come si ottengono gli organoidi?

Un organo è un insieme di tessuti diversi, parte della stessa unità strutturale, che svolgono una o più funzioni. Generare organoidi neuronali di stadio di sviluppo avanzato implica indurre la differenziazione di cellule staminali pluripotenti in diversi tipi cellulari.

La combinazione tra bioingegneria e le tecniche di colture cellulari ha portato alla creazione di chip microfluidici, che rendono possibile la moltiplicazione e la differenziazione delle cellule staminali secondo una geometria predefinita, esplorando gli effetti delle forze fisiche che contribuiscono allo sviluppo dei tessuti e la formazione delle sinapsi in 3-D.

Un altro traguardo raggiunto è stata la creazione di organoidi vascolarizzati. In condizioni di coltura per periodi prolungati, l’assenza di vasi sanguigni determina una drastica riduzione dell’apporto di ossigeno e di sostanze nutritive per le cellule, causando la morte cellulare. La vascolarizzazione è essenziale anche per promuovere la maturazione delle cellule progenitrici neuronali.

Nel 2020 il gruppo di ricerca guidato da Xiaoqun Wang ha sviluppato un protocollo di co-coltura di cellule staminali pluripotenti e cellule endoteliali di cordone ombelicale umano, ottenendo degli organoidi vascolarizzati. Come dimostrato da ulteriori studi, gli organoidi vascolarizzati contengono maggiori sinapsi.

Neuroni — *Figura 2 – Elaborazione grafica di neuroni in 3-D [Fonte: juliendn, Flickr]*

Sondare il DNA

Gli organoidi cerebrali sono diventati uno strumento potente per comprendere l’origine di malattie neurodegenerative e infettive, tumori cerebrali, psicosi. In molti casi, le alterazioni genetiche costituiscono la premessa di queste patologie.

Il Disturbo dello Spettro Autistico (Autism Spectrum Disorder – ASD) può essere causato della mutazione del gene CNTNAP2. Gli studi di inattivazione knockout del gene CNTNAP2 nel topo hanno evidenziato l’insorgenza di disfunzioni neuronali, ma non spiegano l’iperproliferazione di cellule neuronali che si verifica nell’essere umano. Il sequenziamento dell’RNA delle singole cellule degli organoidi ha rivelato che il gene CNTNAP2 è attivo soprattutto nei neuroni eccitatori della corteccia prefrontale, e che il gene CNTNAP2 regola altri geni coinvolti nell’insorgenza dell’ASD.

Un protocollo simile è stato applicato per lo studio della schizofrenia, la cui eziologia è associata ad alterazioni genetiche in sequenze di DNA che codificano per proteine. La generazione di organoidi derivati da donatori sani e di organoidi derivati da pazienti affetti da schizofrenia, nonché la loro comparazione, ha dimostrato nella zona ventricolare la maggior quantità di morte cellulare e di progenitori neuronali associata alla malattia.

Oltre la ricerca di base

Le applicazioni degli organoidi hanno già superato i confini della ricerca di base. HUB Organoids® (HUB), con sede a Utrecht, è leader mondiale nel campo degli organoidi derivati da cellule staminali adulte da pazienti e contiene una biobanca di organoidi viventi, che comprende più di mille modelli di organoidi, rappresentando un’ampia varietà di organi e tipi di malattie. Tra i servizi offerti vi è lo sviluppo preclinico di farmaci su organoidi, aumentando così nettamente la capacità predittiva della risposta del paziente al trattamento farmacologico rispetto ai classici test in vitro.

Robert Vries, CEO di HUB, prevede che la sua azienda sarà sempre più impegnata nella conquista definitiva della medicina personalizzata. Anche i pazienti sono venuti a conoscenza del potenziale dell’utilizzo degli organoidi.

Come afferma Robert Vries: “I pazienti stessi ci chiamano per chiederci di creare un organoide del loro materiale corporeo e di inviarlo a un’azienda farmaceutica che sta sviluppando farmaci per la loro malattia, in modo che l’azienda possa produrli appositamente per lui o per lei. Questo non è possibile, naturalmente, ma potrebbe accadere in futuro. E, di fatto, sta già accadendo per gruppi di pazienti con difetti genetici specifici. Eloxx Pharmaceuticals, per esempio, sta sviluppando un farmaco contro un codone di stop – in parte grazie all’uso di organoidi – che sembra essere efficace anche per una certa forma di fibrosi cistica. In questo caso, i pazienti hanno letteralmente detto: Ho questa mutazione, fate qualcosa!”.

*Figura 3 – HUB Organoids®, Utrecht [Fonte: Google Street View]*

Sfide future

È un progresso rivoluzionario coltivare un “mini-cervello” umano in laboratorio e poterlo visualizzarlo quotidianamente. Sebbene gli organoidi cerebrali presentino un vantaggio significativo rispetto alla coltura cellulare convenzionale in 2D, i ricercatori si rendono conto che vi sono alcune problematiche da risolvere.

In primo luogo, la generazione e la coltura di organoidi cerebrali è tecnicamente impegnativa e richiede molte tipologie di reagenti.

In secondo luogo, vi sono delle differenze di struttura e composizione cellulare tra organoidi provenienti dalla stessa camera di coltura. Questa variabilità potrebbe influenzare i dati sperimentali utili a confrontare le dimensioni e il volume tra gli organoidi di controllo e gli organoidi derivati dai pazienti. Pertanto, è necessario migliorare i metodi di coltura e aumentarne la riproducibilità.

In terzo luogo, la composizione cellulare dinamica, l’evoluzione della struttura dell’organo e l’interazione tra tipi diversi di cellule si verificano durante lo sviluppo del cervello. Riprodurre la complessità del cervello umano mediante organoidi da coltivare in laboratorio per un periodo di tempo sufficientemente esteso rappresenta uno degli obiettivi più sfidanti per i ricercatori. Sebbene vi siano ancora alcuni ostacoli tecnici, gli organoidi cerebrali forniscono un’opportunità unica e insostituibile per costruire, studiare e riprogettare il neurone, le malattie neuronali e il sistema nervoso.

Fonti

Complexity and the Nervous System – C. Koch and G. Laurent, 1999 – Science
Cerebral organoids: ethical issues and consciousness assessment – A. Lavazza, M. Massimini, 2018 – J Med Ethics
Genetic and Epigenetic Regulation of Brain Organoids – Wang Y-W, Hu N and Li X-H, 2022 – Front. Cell Dev. Biol.
The Application of Brain Organoids: From Neuronal Development to Neurological Diseases – Shou Y, Liang F, Xu S, Li X, 2020 – Front. Cell. Dev. Biol.
https://hsci.harvard.edu/organoids
https://www.huborganoids.nl
https://www.news-medical.net/whitepaper/20220609/The-HUB-In-Utrech-That-Strives-to-Be-the-Worlds-Leading-Organoid-Center.aspx