La gastrulazione è un processo fondamentale che si verifica nella terza settimana di sviluppo umano, durante il quale un insieme indistinto di cellule si riorganizza in una struttura ordinata a tre strati, gettando le basi per tutto ciò che seguirà. Questo evento è considerato l’origine della nostra individualizzazione, segnando la distinzione tra la parte anteriore e posteriore del nostro corpo. Tuttavia, osservare i meccanismi molecolari alla base di questo evento cruciale potrebbe aiutare a prevenire aborti spontanei e disturbi dello sviluppo. Nonostante ciò, lo studio della gastrulazione umana si è dimostrato sia tecnologicamente difficile sia eticamente complesso, limitando il successo degli approcci attuali nel migliorare la nostra comprensione dello sviluppo umano precoce.
Recentemente, Ali Brivanlou e i suoi colleghi hanno dimostrato come un sistema di modellazione basato su cellule staminali, noto come blastoide, possa consentire lo studio delle sfumature della gastrulazione umana in presenza di tipi cellulari extraembrionali pre-impianto. Il loro studio, pubblicato su Stem Cell Reports, descrive il potenziale scientifico e clinico di questa nuova piattaforma. Questo rappresenta un passo avanti significativo verso la comprensione di come iniziamo la nostra vita.
Prima dell’impianto, un embrione è una palla di circa 250 cellule organizzate come un blastocisti. Questa palla di cellule era difficile da studiare direttamente, quindi gli scienziati hanno sviluppato i blastoidi, modelli di blastocisti basati su cellule staminali. I blastoidi possono essere clonati, manipolati sperimentalmente e programmati, consentendo agli scienziati di studiare blastoidi identici ripetutamente.
La domanda era se i blastoidi potessero gastrulare in vitro. A differenza di un blastocisti in vivo, che si muove nell’utero fino a che non si attacca al tessuto materno, i blastoidi erano bravi a modellare la palla di cellule da cui emerge la vita, ma non era chiaro se questo modello in vitro potesse rappresentare le fasi successive dello sviluppo umano. Questo, fino a quando Brivanlou ha sviluppato una piattaforma che permette ai blastoidi di attaccarsi in vitro e quindi progredire verso la gastrulazione.
Con questa chiarezza senza precedenti, il team ha osservato direttamente due momenti chiave nella gastrulazione: il primo evento di rottura della simmetria dell’epiblasto e l’emergere dei marcatori molecolari della striscia primitiva e del mesoderma dopo l’attacco in vitro. La striscia primitiva è una struttura che segna l’inizio della gastrulazione e pone le basi per i tre strati primari dell’embrione. Uno di questi strati, il mesoderma, si forma durante la gastrulazione e dà origine a muscoli, ossa e sistema circolatorio. Il team ha scoperto che, già sette giorni dopo l’attacco, erano già in grado di utilizzare marcatori molecolari per rilevare la firma più precoce di una striscia primitiva nascente e di cellule mesodermiche.
Per confermare i loro risultati, il team ha anche confrontato i risultati dei blastoidi con i dati di embrioni umani attaccati in vitro, dimostrando che i blastoidi esprimono gli stessi geni in vitro che un embrione regolare esprimerebbe in quella fase in vivo, una forte dimostrazione del potere dei blastoidi come modelli per lo sviluppo embrionale umano. Inoltre, il team ha utilizzato il loro sistema di blastoidi attaccati in vitro per dimostrare che i percorsi che regolano l’ascesa della striscia primitiva e del mesoderma in vivo regolano anche la rottura della simmetria dei blastoidi in vitro, il tutto utilizzando solo modelli di blastoidi derivati da cellule staminali.
Il team ha anche dimostrato che la gastrulazione in vitro può iniziare al giorno 12, prima di quanto si pensasse in precedenza. “Questo cambierà i libri di testo”, afferma Brivanlou. “Abbiamo contribuito a ridefinire la firma molecolare e il tempismo dell’inizio della gastrulazione dopo l’attacco in vitro”.
I risultati dimostrano che i blastoidi, combinati con la piattaforma di attacco unica del laboratorio di Brivanlou, sono ora in grado di fornire intuizioni sullo sviluppo umano precoce che sono state a lungo inaccessibili. De Santis immagina un futuro in cui la ricerca basata sui blastoidi porta a progressi nella diagnosi e nel trattamento dei disturbi dello sviluppo, o offre intuizioni sulle possibili cause di aborti spontanei durante la gastrulazione.
“Molte coppie non possono avere figli perché l’embrione non si attacca correttamente e molti aborti spontanei si verificano nelle prime settimane di gravidanza”, spiega De Santis. “Ora abbiamo un sistema di modellazione che può aiutarci a comprendere il meccanismo molecolare che definisce se una gravidanza sarà o meno di successo”. Nel prossimo futuro, De Santis spera di combinare questo metodo con l’apprendimento automatico per aiutare a prevedere i risultati della gravidanza e le traiettorie dei disturbi dello sviluppo osservando come i blastoidi modello costruiti con particolari composizioni genetiche si comportano in vitro.
