Controllo della realtà per gli organoidi nelle neuroscienze

Nature Methods volume 17, pagine 961–964 (2020) Citare questo articolo

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Per studiare meglio lo sviluppo neurologico umano, i ricercatori propongono organoidi come modelli cerebrali.

Gli organoidi, che sono modelli sperimentali tridimensionali derivati ​​da cellule staminali, si stanno facendo strada in molti campi, inclusa la neuroscienza, dove c'è un disperato bisogno di modelli di processi complessi come lo sviluppo neurologico in utero e i disturbi neuropsichiatrici1,2,3,4. Ma gli organoidi cerebrali non stanno esattamente ottenendo un passaggio agevole nelle neuroscienze. "Dal mio punto di vista, gli organoidi cerebrali sono modelli molto interessanti di se stessi", afferma Carla Shatz, neuroscienziata dell'Università di Stanford. Come per tutti gli studi in vitro, dice, "anche nelle condizioni più realistiche delle tre dimensioni piuttosto che in pianura, qualunque cosa impari ti dice cosa può accadere, non cosa accade in vivo." Questi modelli possono insegnare molto sulla biologia cellulare dei neuroni umani, "il che è meraviglioso", afferma. "Allora la domanda è: come testare i risultati utilizzando campioni di cervello umano?"

Indubbiamente, affermano gli sviluppatori dei metodi sugli organoidi cerebrali, questi non sono “cervelli in un piatto” né finestre su tutti gli aspetti dello sviluppo neurologico in utero, né rivelano ogni dettaglio di come il cervello di un neonato diventa il cervello di una piccola persona con un caso di "due terribili due" e una padronanza risoluta della parola "no". Come afferma Madeline Lancaster del Laboratorio di Biologia Molecolare dell'MRC, "tutti gli organoidi cerebrali in vitro finora mancano di molte delle caratteristiche importanti del cervello in vivo", come un sistema vascolare funzionale e un sistema immunitario. Gli organoidi non hanno l'anatomia del vero cervello umano, afferma Giorgia Quadrato della Keck School of Medicine della University of Southern California. Ma, dice, sono modelli che ci permettono di caratterizzare lo sviluppo del cervello umano e le malattie in modi che sono sfuggiti alla comunità delle neuroscienze per decenni. Per far crescere la loro comunità di ricerca e rispondere alle preoccupazioni di coloro che si occupano di neuroscienze e che potrebbero vedere gli organoidi e le conclusioni tratte da essi con la fronte aggrottata, Lancaster, Quadrato e altri stanno raddoppiando gli sforzi per far avanzare i metodi con gli organoidi.

Gli organoidi cerebrali stanno diventando sempre più complessi e dinamici. Il laboratorio di Lancaster ha generato organoidi da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) che possono secernere un fluido simile al liquido cerebrospinale (CSF)5. È un modello del plesso coroideo (ChP) del cervello, che si trova in ciascun ventricolo cerebrale e secerne il liquido cerebrospinale. Le cellule epiteliali coroidali regolano ciò che passa dal sangue al liquido cerebrospinale. Come notano Violeta Silva-Vargas e Fiona Doetsch dell'Università di Basilea, "la mancanza di strumenti ha limitato l'esplorazione del ChP, soprattutto negli esseri umani". Dal punto di vista della proteomica, afferma Lancaster, è difficile distinguere tra il fluido prodotto da questi organoidi e l'effettivo liquido cerebrospinale del cervello. "Ma non possiamo davvero chiamarlo vero e proprio liquido cerebrospinale perché è prodotto in vitro e ci sono cose che provengono dai media, come proteine ​​derivate da topi o mucche, che ovviamente non sarebbero presenti in vivo nel liquido cerebrospinale umano", afferma. . L'albumina bovina, e non l'albumina umana, è in questo sistema perché l'albumina sierica bovina è presente come additivo nel mezzo cellulare. Dopo la pubblicazione, ha sentito parlare di laboratori che intendono utilizzare il sistema per test neurotossicologici per verificare eventuali passaggi indesiderati nel cervello. Altri team intendono esplorare modi migliori per introdurre farmaci nel cervello o come il liquido cerebrospinale potrebbe cambiare in condizioni di malattia. Il laboratorio di Lancaster sta utilizzando gli organoidi per studiare lo sviluppo e l'evoluzione del plesso coroideo, anche in relazione al resto del cervello. "Stiamo anche scoprendo che questi organoidi forniscono un'interessante finestra sulla biologia di questa regione del cervello poco studiata e che possono anche essere utilizzati insieme ad altri organoidi cerebrali per comprendere la biologia delle malattie, compresi gli effetti della SARS-CoV-2", lei dice.

Quando era studente di medicina in Romania, il ricercatore dell'Università di Stanford Sergiu Pașca desiderava un miglioramento per i suoi pazienti affetti da disturbi neuropsichiatrici, certamente non utilizzando la trapanatura, in cui viene praticato un foro nel cranio di una persona, per rimuovere una "pietra della follia", come è stato eseguito nel Medioevo e raffigurato da Hieronymus Bosch, uno dei pittori preferiti di Pașca. In estate, Pașca lavorava nei laboratori dell’Istituto Max Planck per la ricerca sul cervello di Francoforte e registrava dati dalla corteccia visiva del gatto. "Sono rimasto sbalordito da cosa significhi realmente avere accesso a un neurone", dice. Sognava di studiare direttamente i neuroni umani. Quando sono emersi i modi per generare iPSC, si è lanciato nella carriera di ricercatore come ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Ricardo Dolmetsch a Stanford. Ha modellato una mutazione legata all’autismo che colpisce i canali del calcio nei neuroni elettricamente attivi derivati ​​dalle iPSC. Placcare i neuroni in monostrati e mantenerli in vita per osservarli abbastanza a lungo da modellare lo sviluppo corticale è stato "un incubo", dice. La frustrazione lo ha portato a provare una piastra a basso attacco in cui le cellule crescevano fino a formare strutture sferiche fluttuanti. Ora nel suo laboratorio di Stanford, guida un team che ha avanzato queste tecniche di guida degli organoidi che vivono fino a 800 giorni. Gli organoidi sono un modo per ampliare gli esperimenti. Possono essere valutati ad alta risoluzione con l'analisi di singole cellule. L’applicazione di tecniche di biologia molecolare agli organoidi è un modo per comprendere la natura specifica dell’uomo dei disturbi neuropsichiatrici e dello sviluppo del cervello. Il laboratorio di Pașca e ricercatori altrove hanno collegato gli organoidi in assemblaggi. Uno di questi assembloid comporta un organoide arricchito per i neuroni eccitatori e un altro arricchito per i neuroni inibitori7. Il modello cattura aspetti del pathfinding assonale e anche della migrazione, come ad esempio il modo in cui alcune popolazioni di neuroni migrano dal prosencefalo ventrale a quello dorsale. Questa migrazione avviene nel cervello del feto e continua dopo la nascita, dice Pașca e sembra essere allo sbando in una serie di condizioni dello sviluppo neurologico, inclusi alcuni tipi di epilessia e autismo. Il laboratorio sta sviluppando un assemblage corticomotore a tre vie. È un organoide corticale, un organoide del midollo spinale e un muscolo cresciuto in vitro in una struttura tridimensionale. Nel corpo, i neuroni corticali proiettano al midollo spinale e si collegano ai motoneuroni spinali, che proiettano ai muscoli e formano giunzioni neuromuscolari che possono innescare l’attività muscolare. In questo modello di circuito, la stimolazione optogenetica dell'organoide corticale fa contrarre l'organoide muscolare.