Un nuovo modello per lo sviluppo della corteccia celebrale umana in vitro

Ricercatori dello Human Technopole, dell’Institute of Molecular Biotechnology e dell’Università Bicocca hanno messo a punto un metodo per lo sviluppo di assembloidi cerebrali che consente di riprodurre in vitro aspetti salienti della polarità antero-posteriore della corteccia cerebrale umana e apre nuove possibilità di modellizzazione delle malattie. Lo studio è pubblicato su Nature Methods.

La corteccia cerebrale – lo strato più esterno del cervello – svolge ruoli fondamentali nella memoria, nel pensiero, nell’apprendimento, nel ragionamento e nei sensi. Il suo sviluppo, o corticogenesi, richiede l’espressione coordinata di fattori di trascrizione e l’attivazione di cascate del segnale cellulare affinché le diverse aree e funzioni maturino correttamente.

Gli organoidi cerebrali derivati da cellule staminali pluripotenti umane (hPSC) sono stati ampiamente utilizzati per studiare la corticogenesi e le alterazioni correlate alle malattie. Tuttavia, questi modelli mancano della tipica organizzazione anteriore-posteriore e della diversità dei tipi di cellule osservate in vivo.

Per risolvere questo problema, i gruppi di Giuseppe Testa – responsabile di Neurogenomica di Human Technopole e professore all’Università di Milano -, Veronica Krenn – Early Career Fellow di Human Technopole e Group Leader all’Università di Milano-Bicocca – e Jürgen Knoblich – vicedirettore scientifico dell’Institute of Molecular Biotechnology dell’Accademia Austriaca delle Scienze (IMBA) – hanno unito le forze per sviluppare un nuovo protocollo per l’ingegnerizzazione di organoidi corticali che ricapitolano aspetti salienti dei modelli polarizzati di trascrizione e segnalazione osservati in vivo.

Sfruttando l’osservazione che il fattore di crescita dei fibroblasti 8 (FGF8) induce un’espressione dose-dipendente di marcatori anteriori e posteriori in organoidi corticali sferici, i ricercatori hanno generato mosaici (corpi embrioidi organizzatori a mosaico, OrEB o assembloidi) costituiti da organoidi cerebrali derivati da hPSC fusi con hPSC che producevano e secernavano costantemente FGF8. Tali assembloidi mostravano le caratteristiche dello sviluppo del telencefalo anteriore. Basandosi su questi risultati, i team hanno aumentato la lunghezza degli organoidi nei corpi mosaici per potenziare il gradiente di FGF8 e consentire effetti dipendenti dalla posizione nell’espressione di FGF8. Sorprendentemente, hanno osservato differenze significative nell’espressione di marcatori anteriori e posteriori e nell’acquisizione del destino cellulare ai poli opposti degli assembloidi. L’analisi del sequenziamento dell’RNA su segmenti prossimali (P), mediali (M) e distali (D) di singoli assembloidi ha confermato che il gradiente P-D di FGF8 induceva in parte il pattern di espressione genica antero-posteriore in vivo. Come nel cervello umano in via di sviluppo, ogni segmento mostrava una composizione cellulare diversa, come rivelato dal sequenziamento dell’RNA a singola cellula. Infine, i ricercatori si sono concentrati sul recettore del fattore di crescita dei fibroblasti 3 (FGFR3), uno dei geni che ha mostrato un’espressione crescente da P a D negli assembloidi. Le mutazioni in FGFR3 sono note per causare l’acondroplasia, un disturbo genetico la cui caratteristica principale è il nanismo. La mutazione correlata all’acondroplasia in FGFR3 (G380R) ha ridotto gli effetti di proliferazione dipendenti dalla posizione lungo l’asse P-D degli assembloidi.

“A differenza di precedenti tentativi che si basavano su fonti di morfogeni scarsamente controllate e a bassa frequenza, con conseguenti effetti di patterning locale nei singoli organoidi, il nostro approccio utilizza una fonte ben controllata di FGF8 e formulazioni di terreni di coltura con segnali esogeni minimi per generare in modo coerente la polarità corticale lungo l’intero asse longitudinale di un organoide”, affermano gli autori.

Giuseppe Testa, uno dei leader di questa ricerca, ha commentato: “Gli assembloidi corticali polarizzati catturano in vitro ciò che era stato previsto dal modello ‘protomap’, ossia che la diversità delle cellule provenienti da diverse regioni della nostra corteccia è innescata fin dalle prime fasi dello sviluppo. Siamo entusiasti dell’opportunità trasformativa che questo metodo offre ora per studiare come i fattori genetici e ambientali contribuiscano ai disturbi neuropsichiatrici agendo su eventi precoci così critici”.

Nell’immagine: un assembloide corticale polarizzato che mostra un gradiente spaziale di espressione lungo il suo asse longitudinale (da sinistra a destra, colori dal blu al giallo-rosso). @Camilla Bosone (IMBA)