Un trapianto di organoidi corticali umani ha occupato oltre il 90% dello spazio cerebrale lasciato libero nei topi e si è integrato con il loro sistema nervoso. Il modello potrebbe aiutare a studiare malattie neurologiche e a testare nuove terapie.
Nello studio del cervello umano, uno dei problemi più difficili da superare è quello di poterlo osservare mentre si sviluppa e funziona. I modelli ottenuti in laboratorio dalle cellule staminali hanno aperto nuove possibilità, ma non possono riprodurre da soli la complessità di un organismo vivente. Ora, un gruppo di ricercatori della Stanford University ha sviluppato un sistema nel quale tessuto corticale umano può crescere all’interno del cervello di topi geneticamente modificati, sviluppando connessioni con il sistema nervoso dell’animale. Il risultato, pubblicato il 16 settembre su Nature, offre un modello sperimentale pensato soprattutto per studiare lo sviluppo neurologico, le malattie e possibili trattamenti.
Un cervello modificato per fare spazio a cellule umane
Gli animali utilizzati nell’esperimento non erano topi normali. I ricercatori hanno introdotto una modifica genetica che impedisce lo sviluppo della maggior parte della neocorteccia e dell’ippocampo, due strutture fondamentali del cervello dei mammiferi. La conseguenza è una drastica riduzione del tessuto cerebrale: nei topi modificati il volume complessivo del cervello risultava ridotto di circa il 50% rispetto agli animali di controllo. In questo modo, però, veniva eliminato uno dei principali ostacoli incontrati nei precedenti esperimenti con organoidi umani: la competizione per lo spazio con il cervello dell’animale ospite.
Nei primi giorni dopo la nascita, nella cavità lasciata libera sono stati trapiantati organoidi corticali umani. Si tratta di strutture tridimensionali ottenute a partire da cellule staminali pluripotenti indotte e indirizzate verso lo sviluppo di cellule della corteccia cerebrale.
L’idea alla base dell’esperimento è relativamente semplice: invece di inserire un piccolo aggregato di cellule umane in un cervello murino già sviluppato e lasciarlo competere con il tessuto dell’animale, i ricercatori hanno creato condizioni nelle quali il tessuto umano potesse disporre di uno spazio molto più ampio per svilupparsi.
Il risultato è stato un’espansione considerevole del trapianto. Nei topi nei quali l’attecchimento è riuscito, il tessuto umano è arrivato a occupare, nei sette animali analizzati per questa misura, il 91,9% del volume corticale disponibile. Non significa che tale porzione dell’intero cervello del topo fosse umano, né che i ricercatori abbiano sostituito la corteccia di un animale normale con una corteccia umana: la percentuale si riferisce allo spazio corticale reso disponibile dalla manipolazione genetica.
È una distinzione importante, perché aiuta a capire che cosa sia stato effettivamente costruito: non un ‘cervello umano’ all’interno di un topo, ma un sistema ibrido nel quale una grande quantità di tessuto corticale umano può svilupparsi in un organismo vivente.
Il tessuto umano non si è limitato a sopravvivere
La parte più interessante dell’esperimento riguarda ciò che è successo dopo il trapianto. Le cellule umane non sono rimaste isolate nella cavità cerebrale, ma hanno sviluppato diversi tipi cellulari caratteristici della corteccia e hanno mostrato attività elettrica organizzata.
Le analisi hanno permesso di osservare l’attività dei neuroni attraverso l’imaging del calcio, una tecnica che consente di seguire indirettamente l’attività neuronale attraverso le variazioni della concentrazione intracellulare di calcio. Le registrazioni elettrofisiologiche hanno inoltre mostrato che il tessuto umano era in grado di produrre attività coordinata, con caratteristiche compatibili con circuiti neuronali in sviluppo.
Gli assoni dei neuroni umani, cioè le fibre attraverso cui le cellule nervose trasmettono i segnali, si sono estesi al di fuori del trapianto e hanno raggiunto diverse regioni del sistema nervoso dell’animale. Le proiezioni sono arrivate anche al midollo spinale.
Il tessuto ha inoltre generato una varietà di neuroni corticali, compresi neuroni di proiezione dello strato 5. Tra le cellule osservate c’erano popolazioni che ricordano i neuroni di von Economo, particolari cellule nervose associate ad alcune funzioni cognitive e sociali e difficili da ottenere in modo convincente nei modelli cellulari in vitro. La loro presenza amplia quindi le possibilità di utilizzare il sistema per studiare popolazioni neuronali particolari e la loro vulnerabilità alle malattie.
Cosa è cambiato nei topi
La domanda successiva era inevitabile: se le cellule umane entrano effettivamente nei circuiti dell’animale, questo modifica il comportamento dei topi?
La risposta è più complessa di quanto suggerirebbe l’idea di un “topo con cervello umano”. Gli animali non hanno mostrato un generale aumento delle capacità cognitive. La locomozione complessiva è rimasta sostanzialmente conservata, mentre sono emerse differenze più specifiche nella coordinazione degli arti e nell’organizzazione del comportamento spontaneo.
In alcuni test, il tessuto umano ha inoltre compensato almeno in parte alcune conseguenze della perdita della corteccia. Nel test del labirinto a Y, utilizzato per valutare aspetti della memoria di lavoro, i topi con il trapianto hanno mostrato prestazioni superiori a quelle attese per gli animali privati della corteccia, anche se il recupero non è stato completo. Altri test hanno infatti continuato a evidenziare alterazioni.
Questo risultato è importante soprattutto per un altro motivo: dimostra che le cellule corticali umane non sono semplicemente sopravvissute nel cervello murino, ma possono contribuire al funzionamento di circuiti che hanno conseguenze osservabili sul comportamento.
Modello di studio per malattie neurologiche
Una delle possibili applicazioni del nuovo sistema riguarda lo studio delle malattie che colpiscono il cervello durante lo sviluppo.
I ricercatori hanno sottoposto gli animali a una condizione di ipossia, cioè a una forte riduzione della disponibilità di ossigeno, per simulare in parte una situazione di carenza di ossigeno che può verificarsi nel periodo perinatale. Il tessuto corticale umano ha mostrato una risposta al danno e, nei topi portatori del trapianto, sono comparsi deficit nella coordinazione degli arti.
Il dato è interessante perché apre alla possibilità di studiare in vivo la vulnerabilità delle cellule nervose umane a determinati tipi di lesione. Nel caso specifico, il modello potrebbe essere utile per indagare i meccanismi coinvolti nei danni cerebrali associati all’ipossia perinatale e, più in generale, nelle condizioni del neurosviluppo.
La presenza di un organismo completo aggiunge inoltre qualcosa che manca agli organoidi coltivati in laboratorio: è possibile osservare contemporaneamente cellule umane, circuiti nervosi, comportamento e risposta a una perturbazione. Questo potrebbe rendere il modello utile anche nella sperimentazione di potenziali terapie.
Sergiu Pașca, neuroscienziato di Stanford e coautore dello studio, ha descritto così la prospettiva aperta dal lavoro: “Ora abbiamo un sistema nuovo e molto potente” per comprendere “che cosa rende il cervello umano unico e unicamente suscettibile alle malattie”.
Un modello potente, ma non un cervello umano in miniatura
Il risultato deve però essere interpretato senza confondere integrazione e equivalenza. In altre parole, il tessuto trapiantato è umano, ma l’organismo ospite rimane un topo. Anche il sistema nervoso con cui le cellule umane interagiscono è prevalentemente murino. Gli organoidi, inoltre, non riproducono l’intera struttura e la complessità della corteccia umana. La loro maturazione segue tempi diversi da quelli dei neuroni murini e il tessuto ottenuto in questo modo rappresenta soltanto alcuni aspetti dello sviluppo cerebrale umano.
Per questo, secondo Madeline Lancaster, neuroscienziata dello sviluppo dell’Università di Cambridge e non coinvolta nello studio, il risultato non va interpretato come la creazione di un animale dotato di capacità cognitive umane. “L’obiettivo qui chiaramente non è creare un topo superintelligente”, ha spiegato. L’obiettivo è avere tessuto cerebrale umano all’interno di un organismo reale, per “iniziare a usarlo per comprendere la neurobiologia umana e le malattie neurologiche umane”.
È proprio questa differenza a definire l’utilità del modello: non trasformare l’animale in qualcosa di simile a una persona, ma fornire alle cellule umane un ambiente biologico molto più completo rispetto a quello disponibile in una coltura cellulare.
La inaggirabile questione etica
L’esperimento solleva inevitabilmente interrogativi sul confine tra tessuti umani e animali. La possibilità che cellule nervose umane vengano integrate in un cervello animale pone soprattutto domande sulla natura delle eventuali capacità emergenti dall’interazione tra i due sistemi. Nel caso di questo studio, il trapianto è stato sottoposto alla supervisione del comitato Stanford Stem Cell Research Oversight e dell’Institutional Animal Care and Use Committee. I ricercatori hanno inoltre effettuato valutazioni sistematiche delle capacità motorie e cognitive degli animali e ne hanno monitorato il benessere.
Al momento, i risultati non indicano la comparsa di una coscienza umana nei topi. Giorgia Quadrato, neuroscienziata dello sviluppo dell’University of Southern California, ha sottolineato un elemento fondamentale: “La tempistica della maturazione dei neuroni umani e dei neuroni del topo è completamente diversa“. Secondo la ricercatrice, esiste quindi una discrepanza nei tempi di sviluppo che impedisce alle cellule dell’organoide di funzionare come farebbero all’interno di un cervello umano.
La questione, tuttavia, potrebbe diventare più complessa se in futuro venissero sviluppati modelli ancora più integrati o se tessuti umani venissero trapiantati in animali con caratteristiche dello sviluppo neurologico più vicine a quelle dell’uomo. In quel caso diventerebbe ancora più importante stabilire quali funzioni debbano essere monitorate e quali limiti debbano essere posti alla ricerca.
Un ponte tra organismo e laboratorio
Il valore principale dello studio non sta dunque nell’aver creato un improbabile “ibrido uomo-topo”, ma nell’aver costruito un modello sperimentale nel quale il tessuto cerebrale umano può essere osservato mentre cresce, sviluppa connessioni, produce attività elettrica e partecipa al comportamento di un organismo vivente. Gli organoidi cerebrali hanno già permesso di studiare aspetti dello sviluppo umano che non possono essere osservati direttamente. Il nuovo approccio aggiunge un elemento decisivo: un ambiente biologico nel quale le cellule possono interagire con vasi sanguigni, circuiti nervosi e segnali provenienti dall’intero organismo.
Per Pașca, il vantaggio è proprio questo compromesso. Si tratta di una possibilità sperimentale, ancora lontana dal riprodurre un cervello umano, ma abbastanza sofisticata da consentire domande a cui gli organoidi isolati non possono rispondere. Il prossimo passaggio sarà capire quanto fedelmente questi circuiti umani integrati riescano a riprodurre i meccanismi delle malattie e, soprattutto, se il modello potrà aiutare a individuare trattamenti efficaci prima di arrivare alla sperimentazione clinica.