Gli scienziati hanno coltivato più di 400 tipi di cellule nervose a partire da cellule staminali

Le cellule nervose non sono solo cellule nervose. Se le si osserva in modo sufficientemente dettagliato, le stime più recenti suggeriscono che nel cervello umano ci siano diverse centinaia o addirittura diverse migliaia di tipi diversi di cellule nervose. Questi tipi differiscono nelle loro funzioni, nel numero e nella lunghezza dei loro processi e nel modo in cui si collegano tra loro. Rilasciano diversi neurotrasmettitori nelle sinapsi e, a seconda dell'area del cervello – la corteccia cerebrale o il mesencefalo, ad esempio – sono attivi diversi tipi di cellule.

Quando gli scienziati hanno coltivato cellule nervose a partire da cellule staminali in piastre di Petri per gli esperimenti, non sono riusciti a rendere conto di tutta questa diversità. Fino a poco tempo fa, i ricercatori avevano sviluppato metodi per coltivare in vitro solo poche decine di diversi tipi di cellule nervose. Per farlo, hanno utilizzato approcci di ingegneria genetica o aggiunto molecole di segnalazione per attivare specifiche vie di segnalazione intracellulari. Ma non erano mai riusciti a catturare la diversità delle centinaia o migliaia di diversi tipi di cellule nervose presenti nel corpo.

"I neuroni derivati dalle cellule staminali vengono spesso utilizzati per studiare le malattie. Ma finora i ricercatori hanno spesso ignorato con quali tipi di neuroni stanno lavorando", afferma Barbara Treutlein, professoressa presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria dei Biosistemi del Politecnico Federale di Zurigo (ETH) a Basilea.

Tuttavia, sostiene che questo non è l'approccio migliore per questo tipo di lavoro.

"Se vogliamo sviluppare modelli cellulari per studiare malattie e disturbi come l'Alzheimer, il Parkinson e la depressione, dobbiamo considerare il tipo specifico di cellula nervosa coinvolta nel processo patologico."

Lo screening sistematico come chiave del successo

Treutlein e il suo team sono riusciti a produrre con successo più di 400 diversi tipi di cellule nervose, aprendo la strada a una ricerca neurologica fondamentale più precisa che utilizzi colture cellulari.

Gli scienziati dell'ETH hanno raggiunto questo obiettivo lavorando su una coltura di cellule staminali pluripotenti indotte umane, derivate da cellule del sangue. In queste cellule, hanno ingegnerizzato geneticamente alcuni geni regolatori neuronali e trattato le cellule con diversi morfogeni, una classe speciale di molecole di segnalazione. Il team di Treutlein ha utilizzato un approccio sistematico: sette morfogeni in diverse combinazioni e concentrazioni nei loro esperimenti di screening. Questo ha prodotto quasi 200 diverse serie di condizioni sperimentali.

Morfogeni

I morfogeni sono sostanze di segnalazione note da studi sullo sviluppo embrionale. Sono distribuiti in modo non uniforme nell'embrione e, in diverse concentrazioni, formano gradienti spaziali. Pertanto, determinano la posizione delle cellule nell'embrione, ad esempio se una cellula è più vicina all'asse corporeo o si trova nella parte posteriore, sull'addome, nella zona della testa o del tronco. Di conseguenza, i morfogeni contribuiscono a determinare quali strutture si formeranno nelle diverse parti del corpo.

Gli scienziati hanno utilizzato diverse tecniche di analisi per dimostrare di essere riusciti a ottenere più di 400 diversi tipi di cellule nervose nell'esperimento. Hanno studiato l'RNA (e quindi l'attività genetica) a livello di singole cellule, nonché l'aspetto e la funzione delle cellule, ad esempio i tipi di processi cellulari presenti e gli impulsi nervosi elettrici emessi.

I ricercatori hanno poi confrontato i loro dati con le informazioni provenienti da database di neuroni cerebrali umani. Questo ha permesso loro di determinare i tipi di cellule nervose che erano state create, come cellule del sistema nervoso periferico o cellule cerebrali, nonché l'area cerebrale da cui provenivano e a cosa fossero responsabili: la percezione del dolore, del freddo, del movimento, ecc.

Neuroni in vitro per la ricerca di principi attivi

Treutlein ha affermato che sono ancora lontani dal poter produrre in vitro tutti i tipi di cellule nervose presenti nel corpo. Tuttavia, i ricercatori ora hanno accesso a molti più tipi di cellule rispetto a prima.

Vogliono utilizzare neuroni coltivati in vitro per sviluppare modelli cellulari utili allo studio di gravi malattie neurologiche, tra cui schizofrenia, Alzheimer, Parkinson, epilessia, disturbi del sonno e sclerosi multipla. Questi modelli cellulari sono di grande interesse anche per la ricerca farmaceutica, consentendo di testare gli effetti di nuovi composti attivi in colture cellulari senza l'uso di animali, con l'obiettivo finale di scoprire un giorno come curare queste malattie.

In futuro, queste cellule potrebbero essere utilizzate anche per la terapia di sostituzione cellulare, in cui le cellule nervose cerebrali malate o morte vengono sostituite con nuove cellule umane.

Ma prima che ciò accada, c'è un problema da risolvere: nei loro esperimenti, i ricercatori hanno spesso prodotto una miscela di diversi tipi di cellule nervose. Ora stanno lavorando per ottimizzare il metodo in modo che ogni condizione sperimentale produca un solo tipo specifico di cellula. Hanno già alcune idee iniziali su come farlo.