Un importante passo avanti nella comprensione delle prime fasi dello sviluppo umano arriva oggi dalle Università di Padova e Torino. Sulle pagine di Nature Cell Biology è stato pubblicato uno studio che descrive la creazione di un modello tridimensionale di embrione umano ricavato da cellule staminali, capace di riprodurre i passaggi cruciali immediatamente successivi all’impianto nell’utero.

Un embrione in 3D per osservare ciò che prima era invisibile

Il team di ricercatori ha utilizzato cellule staminali umane per ricostruire in laboratorio un modello che simula l’organizzazione dell’embrione nelle sue primissime fasi. Le cellule, spiegano gli studiosi, formano inizialmente uno strato ordinato attorno a una piccola cavità interna, una sorta di pallina cava: è lo spazio che, nel processo naturale, diventerà la cavità amniotica in cui il feto si svilupperà durante la gravidanza.

Il modello permette inoltre di studiare un secondo evento fondamentale: la differenziazione e la migrazione di alcune cellule che iniziano a organizzare la futura disposizione degli organi. Poiché i segnali che regolano questi passaggi nell’embrione umano restano ancora in gran parte ignoti, i ricercatori si sono affidati a tecniche avanzate di analisi genomiche ed editing genetico per identificarli.

Analizzando il comportamento delle cellule nel modello tridimensionale, i ricercatori hanno individuato un importante segnale di comunicazione: TGF-beta. Questo fattore guida la formazione della futura cavità amniotica e coordina l’organizzazione iniziale delle cellule attraverso un regolatore chiave, il gene ZNF398, che controlla l’attività di numerosi altri geni coinvolti nella struttura tridimensionale dell’embrione.

In una fase successiva entra in gioco Activin A, un segnale “parente” di TGF-beta, che avvia i processi di differenziamento e migrazione necessari a impostare l’architettura spaziale degli organi. Per verificare la validità e la conservazione evolutiva dei meccanismi identificati, i ricercatori hanno replicato gli esperimenti anche su embrioni di topo.

Perché questi modelli sono importanti

Le fasi immediatamente successive all’impianto embrionale sono estremamente delicate e in gran parte ancora misteriose: solo un embrione su tre riesce infatti a svilupparsi correttamente. Comprendere i segnali che regolano queste prime fasi potrebbe avere implicazioni dirette sulla fertilità, sulla prevenzione delle malformazioni e sul miglioramento dei percorsi riproduttivi.

«Le prime fasi sono quasi impossibili da studiare direttamente negli embrioni umani – spiega Graziano Martello, del Dipartimento di Biologia dell’Università di Padova – per ragioni sia etiche che pratiche. Con il nostro modello 3D, semplice e riproducibile, le cellule staminali riescono a imitare due passaggi chiave dello sviluppo precoce: la formazione della cavità amniotica e l’organizzazione spaziale degli organi».

Gli fa eco Salvatore Oliviero, dell’Università di Torino: «Le analisi trascrittomiche ad alta risoluzione ci hanno permesso di identificare i geni attivi in ogni singola cellula e i regolatori chiave di questa fase delicata. Questi studi ci aiutano a capire come le cellule prendono le prime decisioni nello sviluppo e mostrano analogie sorprendentemente utili per comprendere anche la formazione di alcuni tumori».

Nuove prospettive

Il modello sviluppato è altamente definito e replicabile, una caratteristica che consente ai ricercatori di isolare e testare con precisione il ruolo di singoli geni e segnali molecolari. «Un altro punto di forza – osserva Gianluca Amadei, ricercatore del Dipartimento di Biologia di Padova – è l’utilizzo di modelli derivati da cellule staminali di diverse specie, che ci permette di capire quanto questi meccanismi siano conservati nel corso dell’evoluzione».