La biologia dello sviluppo umano ha rappresentato per decenni un territorio inesplorato, una "scatola nera" in cui i processi che dalla fecondazione portano alla nascita rimanevano celati agli occhi della scienza. Fino a qualche anno fa, guardare dentro questa scatola era molto difficile, quasi impossibile. Gli strumenti a disposizione dei ricercatori erano pochi e gran parte delle conoscenze di biologia dello sviluppo veniva dallo studio di organismi modello, che però non riproducono l’ontogenesi umana in ogni suo aspetto. La biologia non utilizza la categoria della bellezza per descrivere gli organismi. Il ricercatore rigoroso evita di applicarla a forme, colori e suoni, poiché tale categoria dipende dall’osservatore ed è legata a sensazioni soggettive suscitate da qualità non misurabili degli oggetti considerati belli. Oggi, la spinta al progetto viene dalla disponibilità di nuove tecnologie che consentono finalmente di scoperchiare la scatola e iniziare a fare luce sullo sviluppo dell’embrione, a partire dalle prime settimane di gestazione e con una risoluzione di singola cellula.
Dalle origini della genetica allo sviluppo dei modelli complessi
Il percorso verso la comprensione dello sviluppo embrionale è stato tracciato da figure di spicco che hanno dedicato la propria vita alla ricerca scientifica. Un esempio è Christiane, che, dopo gli studi liceali, si iscrive alla facoltà di Biologia a Francoforte, con la volontà di diventare una ricercatrice scientifica. Negli anni successivi, con il collega Eric Wieschaus, studia la ‘Drosophila melanogaster‘ (moscerino della frutta) per individuarne i geni responsabili della formazione. Assieme inventano il processo della mutagenesi di saturazione, in cui producono mutazioni nei geni degli esemplari adulti per osservare l’impatto sulla prole. Dal 1985 Christiane dirige il dipartimento di biologia dello sviluppo presso l’Istituto Max Planck a Tübingen, carica che ricopre fino al 2014. Nel 1986 riceve il Premio Leibnitz, la più alta onorificenza per la ricerca in Germania. Oltre a essere una scienziata straordinaria, Christiane ha la sensibilità di un’artista e coltiva molti interessi al di fuori del lavoro: le piace cucinare, suona il flauto e canta, tenendo piccoli concerti per un gruppo ristretto di amici. Dopo il conseguimento del Nobel, Christiane ha esteso le sue ricerche al pesce zebra, preso come modello per lo studio delle caratteristiche specifiche dei vertebrati.
Il Progetto Human Cell Atlas e la mappatura precoce
Nel 1990, con il Progetto Genoma Umano l’uomo ha iniziato un lungo viaggio di esplorazione alla scoperta di se stesso. Nel 2016 ne è cominciato un altro, forse ancora più ambizioso. Il progetto Human Cell Atlas (HCA) mira a realizzare una mappa di riferimento degli oltre 37 mila miliardi di cellule che compongono il corpo umano. All’interno di questa nuova avventura scientifica è nato il programma Human Cell Development Atlas (HCDA), con un obiettivo, stavolta, addirittura titanico: ottenere una mappa di tutte le cellule nella fase più precoce dello sviluppo embrionale e fetale. Le più sofisticate tecniche di genomica e di imaging hanno permesso di generare montagne di dati all’interno del progetto HCA. Il progetto HCDA consentirebbe di studiare in maniera dettagliata il processo di organogenesi e di comprendere l'effetto delle mutazioni o dei fattori ambientali sullo sviluppo umano, le basi di alcune malattie congeniti e infantili, o anche le basi cellulari dell'invecchiamento e del cancro. Un progetto che potrebbe, inoltre, ispirare nuove strategie per la medicina rigenerativa, l’ingegneria tessutale e i modelli cellulari in 3D.
L’HDCA è l’ennesima missione esplorativa alla scoperta del corpo umano ma, stavolta, nel periodo prenatale. Il suo scopo è generare un profilo completo dei tipi e degli stati cellulari presenti durante lo sviluppo, in particolare nelle prime quattro settimane. Il programma utilizzerà tecniche biomolecolari e di imaging ad alta risoluzione, che ricostruiscono per ogni singola cellula il profilo di espressione genica e molecolare, la morfologia e la funzionalità. Queste tecnologie "fotografano" lo stato attuale della cellula ma consentono anche di predire il suo futuro potenziale, ad esempio l’attivazione di un preciso programma di differenziamento. Un sistema di coordinate standard, inoltre, servirà a definire la posizione nello spazio e nel tempo di ogni cellula dell’embrione e del feto, e a monitorare processi fondamentali come la proliferazione, la differenziazione e la migrazione cellulare. Il primo profilo genetico e molecolare di un intero embrione potrebbe essere pronto entro i prossimi due anni.
Nuove frontiere: i modelli tridimensionali in laboratorio
Un passo fondamentale in questo ambito è giunto recentemente grazie a un team di ricerca dell’Università di Torino, in collaborazione con l’Università di Padova, che ha ricreato in laboratorio un modello tridimensionale di embrione umano utilizzando cellule staminali. Nelle prime fasi della formazione di un embrione, le cellule si dispongono in uno strato ordinato formando una piccola cavità interna, una sorta di pallina cava: è lo spazio che diventerà la futura cavità amniotica, all’interno della quale il feto crescerà nei mesi successivi. Poiché i segnali che guidano questi processi nell’embrione umano non sono noti, ricercatrici e ricercatori hanno utilizzato tecniche avanzate di genomica ed editing genetico per identificarli. Il team ha scoperto che un segnale di comunicazione tra cellule, chiamato TGF-beta, coordina le primissime fasi dell’organizzazione cellulare e della formazione della cavità amniotica. Questo avviene grazie a un gene-regolatore chiave, ZNF398, che controlla molti altri geni coinvolti nella costruzione della struttura tridimensionale dell’embrione. Successivamente, entra in gioco un segnale simile, Activin A, che avvia le migrazioni cellulari e i processi di differenziamento necessari per la formazione degli organi.
Ripiegamento dell'embrione: cavità amniotica e sacco vitellino - Embriologia animata
Comprendere i meccanismi che regolano queste fasi potrebbe aiutare a migliorare i tassi di natalità e a ridurre rischi e malformazioni. Le prime fasi di sviluppo dopo l’impianto sono estremamente delicate e spesso non vanno a buon fine: solo un embrione su tre riesce a impiantarsi e a svilupparsi correttamente. Come afferma il professor Graziano Martello dell’Università di Padova: «Le primissime fasi dello sviluppo sono quasi impossibili da osservare negli embrioni umani, sia per motivi etici che pratici. Il nostro modello 3D riproduce due momenti fondamentali: la formazione della cavità amniotica e la disposizione iniziale delle cellule che daranno origine agli organi». Aggiunge il professor Salvatore Oliviero, responsabile del gruppo dell’Università di Torino: «Grazie ad analisi genetiche ad alta risoluzione, abbiamo identificato i geni attivi in ogni cellula e i regolatori principali di questa delicata fase dello sviluppo. Il modello embrionale ottenuto è molto affidabile e facilmente riproducibile, perché ogni sua componente è stata definita con grande precisione». Oltre a chiarire i segnali dello sviluppo embrionale, questo tipo di modelli permette anche di capire quali nutrienti sono fondamentali in queste fasi iniziali o quali farmaci potrebbero interferire con esse.
La sfida etica del limite dei quattordici giorni
Il primo grande traguardo nella ricerca sugli embrioni è stato raggiunto alla fine degli anni ’70 con la nascita in Inghilterra di Louise Brown, primo neonato concepito con la fecondazione in vitro. Da allora sono state molte le linee guida, le leggi e le norme internazionali che proibivano la crescita di embrioni in laboratorio oltre i 14 giorni consecutivi. Questa regola ha fornito un confine ben definito ai ricercatori oltre al quale la ricerca non può spingersi e un chiaro segnale ai cittadini: gli scienziati non avrebbero concepito e fatto crescere i bambini nei laboratori. Modificare la regolamentazione potrebbe permettere ai ricercatori di studiare il periodo di tempo che va dal 14esimo al 28esimo giorno di sviluppo, spesso definito come la “scatola nera” dell’embriologia umana, proprio perché è un periodo poco accessibile.
L'International Society for Stem Cell Research (ISSCR), la più grande organizzazione internazionale per la ricerca sulle cellule staminali, ha iniziato a valutare aggiornamenti per le linee guida di ricerca di base e l'applicazione clinica. Il mantenimento del limite dei 14 giorni potrebbe tradursi nella mancata possibilità di aumentare determinate conoscenze in campo embriologico che potrebbe invece rivelarsi molto utili per la salute umana. Un articolo pubblicato su Science elenca sei principi che permettono di fare una riflessione sulla liceità o meno di prolungare questo arco temporale, rivolgendo un appello affinché si consideri un approccio cauto e graduale. Il primo dei sei principi riguarda la giustificazione scientifica, cioè la reale necessità di superarlo solo in caso di assenza di altri mezzi e soluzioni possibili; il secondo punto prevede che si facciano piccoli passi, con controlli stringenti su tutti gli studi che prevedono l’utilizzo di embrioni. La revisione tra pari è altrettanto importante: la proposta di un progetto di ricerca dovrebbe essere sottoposta a revisione da comitati scientifici ed etici qualificati e indipendenti.
Coloro che donano embrioni o gameti devono essere informati sulle ricerche che verranno fatte, evidenziando la ormai onnipresente necessità del consenso informato. Si sottolinea anche l’importanza del dialogo pubblico come strumento per far incrementare la conoscenza sul tema e per stimolare una ricerca responsabile, in cui preoccupazioni e opportunità vengano affrontate e discusse in occasioni appropriate, bilaterali e inclusive per la comunità.
Oltre l'utero: uteri artificiali e futuro della gestazione
Portare la gravidanza fuori dall’utero sembra un tema futuristico, ma un gruppo di ricerca del Weizmann Institute of Science in Israele ha fatto crescere degli embrioni di topo in un utero artificiale per ben 11-12 giorni, che corrispondono a circa la metà del tempo di gestazione naturale. Lo studio, pubblicato su Nature, descrive un metodo innovativo per far crescere gli embrioni di topo fuori dall'utero durante le fasi iniziali. Si tratta a tutti gli effetti di un record di sviluppo di un mammifero al di fuori dell’utero materno. Il metodo che è stato messo a punto darà ai ricercatori uno strumento senza precedenti per comprendere il programma di sviluppo codificato dai geni, oltre a fornire una visione dettagliata dei difetti di nascita e di sviluppo, così come quelli coinvolti nell'impianto dell'embrione. Durante la prima fase, della durata di 2 giorni, i ricercatori hanno fatto crescere gli embrioni in una piastra da laboratorio contenente una sostanza nutritiva.
"Se si danno a un embrione le giuste condizioni, il suo codice genetico funzionerà come una serie di pezzi del domino, disposti a cadere uno dopo l'altro", commenta il prof. Jacob Hanna, responsabile del progetto. "Il nostro obiettivo era quello di ricreare quelle condizioni e ora possiamo osservare, in tempo reale, come ogni tessera colpisce la successiva". Tra i diversi obiettivi di questa ricerca c’è anche il tentativo di comprendere il motivo per cui così tante gravidanze non riescono a impiantarsi, perché la finestra per l'impianto è così breve, come le cellule staminali perdono gradualmente la loro "staminalità" e quali condizioni nella gestazione possono poi portare a disturbi dello sviluppo. La capacità di osservare questi processi apre prospettive inedite, non solo per la biologia di base, ma anche per la medicina rigenerativa e la comprensione delle malattie genetiche che originano precocemente nel ciclo vitale umano.