Sostituire una parte importante della corteccia di un topo con cellule cerebrali umane per capire quanto queste riescano a svilupparsi e funzionare all’interno di un cervello vivo. È l’esperimento condotto da un gruppo della Stanford University, descritto in uno studio pubblicato su Nature.
I ricercatori hanno prima ridotto geneticamente lo sviluppo della corteccia nei topi e successivamente hanno impiantato nello spazio disponibile cellule provenienti da organoidi corticali umani, strutture tridimensionali coltivate a partire da cellule staminali.
Il risultato è stato un cervello molto diverso da quello normale. Le cellule umane sono riuscite a occupare gran parte della regione destinata alla corteccia, hanno generato diversi tipi di neuroni e sviluppato connessioni con altre aree del sistema nervoso. Alcune capacità dei topi sono migliorate rispetto agli animali completamente privi di corteccia, ma il tessuto umano non ha ricostruito l’organizzazione tipica di una corteccia funzionante.
Il modello, quindi, rappresenta soprattutto un nuovo strumento sperimentale e non la creazione di un cervello umano all’interno di un animale.
Perché gli organoidi cerebrali hanno dei limiti
Gli organoidi sono piccoli aggregati tridimensionali di cellule ottenuti in laboratorio. Rispetto alle tradizionali colture cellulari, nelle quali le cellule crescono su una superficie piatta, riescono a riprodurre meglio alcune caratteristiche dei tessuti reali e possono contenere diversi tipi cellulari organizzati nello stesso ambiente.
Nel caso del cervello, però, i limiti rimangono importanti. Un organoide non dispone della complessa rete di collegamenti che esiste in un organismo vivo, non è inserito nello stesso sistema circolatorio e non comunica con tutte le altre strutture cerebrali che normalmente inviano e ricevono informazioni.
Questo rende più difficile utilizzarlo per studiare malattie che coinvolgono connessioni tra regioni differenti del cervello.
Una strategia già sperimentata consiste nell’impiantare cellule neurali umane nel cervello di altri animali. Le cellule possono integrarsi e comunicare con quelle dell’ospite, ma restano circondate prevalentemente da neuroni animali perfettamente funzionanti. Per i ricercatori diventa quindi difficile capire quanto delle funzioni osservate dipenda realmente dalle cellule umane.
I ricercatori hanno ridotto drasticamente la corteccia dei topi
Il gruppo di Stanford ha provato un approccio più radicale. Gli scienziati hanno individuato un gene attivo nella maggior parte delle cellule destinate a formare la corteccia e lo hanno utilizzato per bloccare un altro gene fondamentale durante la divisione cellulare. In questo modo è stata eliminata una grande parte delle cellule che normalmente avrebbero formato la corteccia cerebrale.
La conseguenza è stata una riduzione molto importante del cervello: il suo volume risultava circa dimezzato.
Nonostante questo, gli animali sono riusciti a sopravvivere grazie a particolari condizioni di allevamento. I ricercatori hanno ridotto il numero degli altri cuccioli presenti con la madre, permettendo agli animali sperimentali di ricevere più nutrimento, hanno prolungato l’allattamento e successivamente utilizzato alimenti molto calorici.
I topi erano inoltre immunocompromessi, una condizione necessaria per limitare la possibilità che il loro sistema immunitario rigettasse le cellule umane.
Gli organoidi umani hanno occupato gran parte dello spazio disponibile
Una volta creato questo ambiente, i ricercatori hanno impiantato organoidi corticali umani nella regione in cui la corteccia del topo non si era sviluppata normalmente. In oltre l’85% degli animali sottoposti all’impianto, il tessuto umano è riuscito a integrarsi.
Negli animali in cui l’innesto ha avuto successo, le cellule provenienti dagli organoidi hanno rappresentato circa il 92% delle cellule presenti nella regione corticale. In pratica, una quota molto ampia dello spazio normalmente occupato dalla corteccia murina è stata colonizzata da cellule umane.
Una volta inserite nel cervello, queste cellule hanno inoltre prodotto i principali tipi di neuroni normalmente presenti nella corteccia.
Le cellule umane hanno creato connessioni anche a lunga distanza
Uno degli aspetti più interessanti riguarda le connessioni sviluppate dai neuroni.
I ricercatori hanno osservato prolungamenti provenienti dalle cellule umane in zone del sistema nervoso molto lontane dal punto dell’impianto, fino al midollo spinale. Questo indica che i neuroni non sono rimasti isolati nell’area del trapianto, ma sono stati in grado di stabilire collegamenti a lunga distanza.
È stata osservata anche un’attività neuronale sincronizzata, con gruppi di cellule che mostravano picchi di attività nello stesso momento.
Questi segnali indicano un certo livello di integrazione funzionale, ma non significano che il tessuto abbia ricostruito una corteccia normale.
Proprio l’organizzazione rappresenta infatti uno dei principali limiti emersi dallo studio.
La corteccia umana rimaneva poco organizzata
In una corteccia normale i neuroni sono distribuiti secondo una struttura molto precisa, organizzata in strati distinti. Ogni strato contiene popolazioni cellulari con caratteristiche e funzioni specifiche e partecipa a circuiti definiti.
Nel cervello dei topi con l’impianto umano questa architettura non è stata ricreata.
Alcuni tipi di cellule che normalmente si trovano vicini tendevano comunque a raggrupparsi, suggerendo una forma di organizzazione locale. Mancavano però i veri strati corticali tipici.
Il tessuto umano riusciva quindi a svilupparsi e comunicare, ma rimaneva molto meno organizzato di una corteccia fisiologica.
Alcune capacità dei topi sono migliorate
Per capire se la presenza delle cellule umane producesse effetti sul comportamento, i ricercatori hanno confrontato tre gruppi: topi normali, animali con gran parte della corteccia eliminata e topi nei quali la regione era stata in buona parte occupata dalle cellule umane.
Le differenze sono emerse già analizzando il comportamento spontaneo. Utilizzando sistemi di videoregistrazione e algoritmi di machine learning, i ricercatori hanno osservato che i tre gruppi mostravano schemi comportamentali distinti.
Anche il peso corporeo mostrava una situazione intermedia. I topi senza corteccia pesavano molto meno degli animali normali, mentre quelli con il tessuto umano raggiungevano valori compresi tra i due gruppi.
Un risultato simile è stato osservato in diversi test neurologici.
Nei test di memoria il recupero era solo parziale
In un semplice test con labirinto dedicato alla memoria, i topi privi di corteccia ottenevano risultati sostanzialmente compatibili con il caso.
Gli animali con la corteccia umanizzata riuscivano invece a fare meglio, mostrando quindi un certo recupero della capacità di ricordare il percorso. Le loro prestazioni rimanevano comunque inferiori rispetto a quelle dei topi con un cervello sviluppato normalmente.
Il beneficio non è comparso in tutti i tipi di memoria.
In un test dedicato alla formazione di memorie associative, i topi con cellule umane non hanno mostrato risultati migliori rispetto agli animali senza corteccia.
Anche nei test di coordinazione motoria fine le prestazioni erano intermedie: migliori rispetto ai topi privi di corteccia, ma peggiori rispetto agli animali normali.
Nel complesso, quindi, il tessuto umano sembra aver ripristinato solo una parte delle funzioni perdute.
Un modello sperimentale da sviluppare
Il risultato principale dello studio non è quindi aver costruito una corteccia umana funzionante nel topo. I ricercatori hanno mostrato che cellule provenienti da organoidi cerebrali umani possono colonizzare una regione del cervello quasi priva delle cellule originali, differenziarsi in diversi tipi neuronali, stabilire connessioni a lunga distanza e contribuire almeno in parte ad alcune funzioni.
Allo stesso tempo, il tessuto ottenuto resta poco organizzato e non riesce a riprodurre pienamente la struttura e le capacità di una corteccia normale.
È proprio questa distanza tra integrazione cellulare e reale organizzazione funzionale a rappresentare il prossimo problema da risolvere.
Per capire se questi animali potranno diventare modelli realmente utili per studiare le malattie neurologiche umane, sarà necessario stabilire quali circuiti si formano, quanto variano tra un animale e l’altro e quali funzioni possono effettivamente sostenere.
Per ora lo studio dimostra soprattutto una cosa: le cellule cerebrali umane riescono ad adattarsi in misura sorprendente a un cervello di un’altra specie, ma trasformare questa integrazione in una struttura capace di funzionare come una vera corteccia rimane una sfida molto più complessa.
Fonte
Nature - Developmental xenocortication using human-derived organoids in mice
