“Creati i primi reni embrionali umanizzati”, l’obiettivo a lungo termine il trapianto di organi umani

Un gruppo di ricercatori cinesi degli Istituti di Biomedicina e Salute di Guangzhou è riuscito a creare embrioni chimera contenenti una combinazione di cellule umane e suine. Trasferiti in madri surrogati suine, i reni umanizzati in sviluppo avevano una struttura normale e la formazione di tubuli dopo 28 giorni. Nell’ambito della medicina rigenerativa, l’embrione chimera è un embrione ottenuto da un ovulo di bovino privato del suo Dna (0,1%) e innestato con materiale genetico umano (99,9%) per la produzione di cellule staminali. Questa è la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di far crescere un organo umanizzato solido all’interno di un’altra specie. Studi precedenti avevano utilizzato metodi simili per generare tessuti umani come il sangue o il muscolo scheletrico nei maiali. Il lavoro è stato pubblicato oggi sulla rivista Cell Stem Cell.

I ricercatori si sono concentrati sui reni perché sono uno degli organi che si sviluppano per primi e sono anche l’organo più comunemente trapiantato in medicina umana. “Il nostro approccio migliora l’integrazione delle cellule umane nei tessuti del ricevente e ci consente di far crescere organi umani nei maiali”, afferma l’autore senior Liangxue degli Istituti di Biomedicina e Salute di Guangzhou, Accademia cinese delle scienze e Università di Wuyi. L’integrazione delle cellule staminali umane negli embrioni di maiali è stata una grande sfida perché le cellule di maiale competono con quelle umane e le cellule di maiale e umane hanno bisogni fisiologici diversi. “Abbiamo lavorato sui meccanismi per superare la bassa efficienza nella chimera interspecifica”, afferma l’autore senior Guangjin Pan degli Istituti di Biomedicina e Salute di Guangzhou. “Abbiamo identificato un paio di fattori critici che migliorano la formazione della chimera interspecifica facilitando la competizione cellulare.”

La tecnica del team si basa su tre componenti chiave: innanzitutto, hanno creato un ambiente all’interno dell’embrione di maiale in modo che le cellule umane non dovessero competere con le cellule di maiale utilizzando CRISPR per modificare geneticamente un embrione di maiale a singola cellula in modo che mancassero due geni necessari per lo sviluppo del rene. In secondo luogo, i ricercatori hanno ingegnerizzato cellule staminali umane pluripotenti, cioè cellule con il potenziale per svilupparsi in qualsiasi tipo di cellula, rendendole più predisposte all’integrazione e meno inclini all’autodistruzione temporaneamente bloccando l’apoptosi. Successivamente, hanno convertito queste cellule in cellule “naïve” simili alle prime cellule embrionali umane coltivandole in un apposito terreno di coltura. In terzo luogo, prima di impiantare gli embrioni in sviluppo in maiali surrogati, i ricercatori hanno fatto crescere le chimere in condizioni ottimizzate per fornire nutrienti e segnali unici sia alle cellule umane che a quelle di maiale, poiché queste cellule di solito hanno bisogni diversi.

Nel complesso, i ricercatori hanno trasferito 1.820 embrioni a 13 madri surrogati. Dopo 25 o 28 giorni, hanno interrotto la gestazione ed estratto gli embrioni per valutare se le chimere avevano prodotto con successo reni umanizzati. I ricercatori hanno raccolto cinque embrioni chimere per l’analisi (due a 25 giorni e tre a 28 giorni dopo l’impianto) e hanno scoperto che avevano reni con una struttura normale per il loro stadio di sviluppo e composti per il 50-60% da cellule umane. A 25-28 giorni, i reni erano nella fase del mesonefro (la seconda fase dello sviluppo renale); avevano formato tubuli e gemme di cellule che avrebbero alla fine dato origine all’uretere collegando il rene alla vescica. Il team ha anche analizzato se le cellule umane contribuissero ad altri tessuti in tutto l’embrione, il che potrebbe avere implicazioni etiche, specialmente se si fossero trovate abbondanti cellule umane nei tessuti neurali o nelle cellule germinative e i maiali fossero stati portati a termine. Hanno dimostrato che le cellule umane erano principalmente localizzate nei reni, mentre il resto dell’embrione era composto da cellule di maiale.

“Abbiamo scoperto che se si crea un ambiente nell’embrione di maiale, le cellule umane vanno naturalmente in questi spazi”, afferma l’autore Zhen Dai degli Istituti di Biomedicina e Salute di Guangzhou. “Abbiamo visto solo poche cellule neurali umane nel cervello e nel midollo spinale e nessuna cellula umana nella cresta genitale, il che indica che le cellule staminali pluripotenti umane non si sono differenziate in cellule germinali.” Questo potrebbe essere ulteriormente impedito eliminando ulteriori geni nelle cellule staminali pluripotenti umane, il che potrebbe essere testato in studi futuri, dicono i ricercatori. Ora che hanno ottimizzato le condizioni per far crescere reni umanizzati nelle chimere umano-maiale, il team vuole consentire ai reni di svilupparsi per un periodo più lungo. Stanno anche lavorando per generare altri organi umani nei maiali, tra cui il cuore e il pancreas. L’obiettivo a lungo termine è ottimizzare questa tecnologia per il trapianto di organi umani, ma i ricercatori riconoscono che il lavoro sarà complesso e potrebbe richiedere molti anni. Far crescere un organo umanizzato completamente funzionale in un maiale richiederebbe alcune fasi aggiuntive perché gli organi sono composti da vari tipi di cellule e tessuti. In questo studio, i ricercatori hanno creato un ambiente solo per un sottogruppo di cellule, il che significa che i reni avevano cellule vascolari derivate dai maiali, e questo potrebbe causare il rifiuto dell’organo se venissero utilizzati in uno scenario di trapianto. “Poiché gli organi non sono composti da una sola linea di cellule, per avere un organo in cui tutto proviene dall’essere umano, probabilmente dovremmo ingegnerizzare i maiali in modo molto più complesso, il che comporta alcune sfide aggiuntive”, afferma l’autore senior Miguel A. Esteban degli Istituti di Biomedicina e Salute di Guangzhou. Nel frattempo, questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per studiare lo sviluppo degli organi umani e le malattie dello sviluppo. Prima di arrivare a quella fase avanzata in cui si producono organi pronti per la pratica clinica, questo metodo fornisce una finestra per lo studio dello sviluppo umano”, dice Esteban. È possibile tracciare le cellule umane che si stanno iniettando e manipolarle per studiare le malattie e come si formano le linee cellulari, conclude.

Lo studio

Lella Simone

Foto: Wang, Xie, Li, Li e Zhang et al./Cell Stem Cell