La ricerca sull’autismo ha compiuto un passo da gigante grazie allo sviluppo del sistema CHOOSE, frutto del lavoro congiunto dei ricercatori dell’IMBA e dell’ETH Zurich. Questa tecnologia consente di studiare in dettaglio le mutazioni genetiche negli organoidi cerebrali umani, offrendo una comprensione profonda dei meccanismi alla base dell’autismo e aprendo la strada a nuove applicazioni nella ricerca sulle malattie.
Il sistema CHOOSE, un approccio innovativo che combina organoidi cerebrali e genetica, trasforma la ricerca sull’autismo permettendo un’analisi dettagliata delle mutazioni e dei loro effetti sullo sviluppo cerebrale.
Il cervello umano e i rischi di ASD
Rispetto ad altre specie animali, il cervello umano ha una sua specificità. Per svilupparsi, si affida a processi unici all’uomo, che ci permettono di costruire una corteccia stratificata e connessa. Questi processi unici rendono anche più probabili i disturbi neuroevolutivi negli esseri umani.
Ad esempio, molti geni che conferiscono un alto rischio di sviluppare disturbi dello spettro autistico (ASD) sono cruciali per lo sviluppo della corteccia. Sebbene gli studi clinici abbiano dimostrato una causalità tra molteplici mutazioni genetiche e l’autismo, i ricercatori non comprendono ancora come queste mutazioni portino a difetti nello sviluppo cerebrale - e a causa dell’unicità dello sviluppo cerebrale umano, i modelli animali sono di utilità limitata.
“Solo un modello umano del cervello può riprodurre la complessità e le particolarità del cervello umano”, afferma Jürgen Knoblich, direttore scientifico dell’IMBA e uno degli autori corrispondenti dello studio.
Il sistema CHOOSE per lo screening genetico
Per aiutare a decifrare questo enigma, i ricercatori dei gruppi di Jürgen Knoblich e Barbara Treutlein presso l’IMBA e l’ETH Zurich hanno sviluppato una tecnica per esaminare un insieme completo di geni regolatori trascrizionali legati all’autismo. Questo sviluppo è particolarmente impattante poiché i geni di interesse possono essere esaminati simultaneamente all’interno di un singolo organoide mosaico, segnando l’inizio di un’era di screening genetico intricato, efficiente e rapido nel tessuto umano.
Nel sistema appena sviluppato, chiamato “CHOOSE” (CRISPR-human organoids-scRNA-seq), ogni cellula nell’organoide porta al massimo una mutazione in un gene specifico dell’ASD. I ricercatori sono stati in grado di tracciare l’effetto di ogni mutazione a livello di singola cellula e di mappare la traiettoria di sviluppo di ogni cellula.
“Con questa metodologia ad alto rendimento, possiamo sistematicamente inattivare un elenco di geni che causano malattie. Mentre gli organoidi che portano queste mutazioni crescono, analizziamo l’effetto di ogni mutazione sullo sviluppo di ogni tipo di cellula”, afferma Chong Li, primo autore e co-corrispondente dello studio e post-dottorato nel gruppo Knoblich.
Un approccio sistematico ad alto rendimento
Con il sistema CHOOSE, i team dell’IMBA e dell’ETH Zurich avanzano nella ricerca sui geni che causano malattie, fornendo ai ricercatori l’accesso a un metodo versatile e ad alto rendimento che può essere applicato a qualsiasi malattia e in qualsiasi sistema modello umano. Inoltre, CHOOSE accelera notevolmente l’analisi rispetto ai tradizionali approcci genetici di perdita di funzione.
“Possiamo vedere la conseguenza di ogni mutazione in un esperimento, abbreviando drasticamente il tempo di analisi rispetto ai metodi tradizionali, utilizzando un approccio che per decenni è stato possibile solo in organismi come la mosca della frutta”, spiega Knoblich. “Inoltre, possiamo ancora beneficiare di cento anni di letteratura scientifica sui geni che causano malattie.”
Mutare diversi geni in parallelo e tracciare i loro effetti genera una quantità enorme di dati. Per analizzare questo complesso set di dati, la co-autrice corrispondente Barbara Treutlein e il suo team all’ETH Zurich hanno utilizzato approcci bioinformatici quantitativi e di machine learning.
“Utilizzando questi dati ad alto rendimento di espressione di singole cellule, possiamo quantificare se un dato tipo di cellula è più o meno abbondante a causa di una data mutazione, e possiamo anche identificare insiemi di geni che sono comunemente o distintamente influenzati da ogni mutazione. Confrontando tutte le mutazioni genetiche, possiamo ricostruire il paesaggio fenotipico di queste perturbazioni genetiche legate alla malattia”, spiega Treutlein.
Imparare sull’autismo durante lo sviluppo
Utilizzando il sistema CHOOSE, i ricercatori hanno dimostrato che le mutazioni di 36 geni, noti per mettere i portatori ad alto rischio di autismo, portano a cambiamenti specifici del tipo di cellula nel cervello umano in via di sviluppo. Hanno identificato cambiamenti trascrizionali critici regolati attraverso reti comuni, chiamate “reti di regolazione genica” o GRN. Una GRN è un insieme di regolatori molecolari che interagiscono tra loro per controllare una specifica funzione cellulare, spiega Li. “Abbiamo dimostrato che alcuni tipi di cellule sono più suscettibili di altri durante lo sviluppo cerebrale e abbiamo identificato le reti che sono più vulnerabili alle mutazioni dell’autismo”, aggiunge.
“Con questo approccio, abbiamo appreso che i geni che causano l’autismo condividono alcuni meccanismi molecolari comuni”, afferma Knoblich. Tuttavia, questi meccanismi comuni possono portare a effetti marcatamente distinti in diversi tipi di cellule.
“Alcuni tipi di cellule sono più vulnerabili alle mutazioni che portano all’autismo, specialmente alcuni progenitori neurali – le cellule fondatrici che generano i neuroni. Questo è vero al punto che la patologia dell’autismo potrebbe già emergere precocemente durante lo sviluppo cerebrale. Questo indica che alcuni tipi di cellule necessiteranno di maggiore attenzione in futuro quando si studiano i geni dell’autismo”, afferma Li.
Per confermare se questi risultati sono rilevanti per i disturbi umani, i ricercatori hanno collaborato con i clinici dell’Università Medica di Vienna e hanno generato organoidi cerebrali da due campioni di cellule staminali di pazienti. Entrambi i pazienti avevano mutazioni nello stesso gene che causava l’autismo.
“Gli organoidi generati da entrambi i pazienti hanno mostrato evidenti difetti nello sviluppo legati a un tipo di cellula specifico. Abbiamo potuto convalidare queste osservazioni in vitro confrontando le strutture degli organoidi con le risonanze magnetiche prenatali del cervello di uno dei pazienti”, afferma Knoblich, mostrando che i dati degli organoidi corrispondono strettamente alle osservazioni cliniche.
Oltre il cervello e l’autismo…
Oltre a ottenere intuizioni senza precedenti sulla patologia dell’autismo, il team sottolinea la versatilità e la trasferibilità del sistema CHOOSE. “Prevediamo che la nostra tecnica sarà ampiamente applicata oltre gli organoidi cerebrali per studiare vari geni associati alle malattie”, afferma Knoblich.
Con questa nuova tecnica, scienziati e clinici ottengono uno strumento di screening ad alto rendimento, robusto e precisamente controllato che riduce notevolmente il tempo di analisi e fornisce intuizioni inestimabili sui meccanismi delle malattie.
