Nel loro studio, riportato su Nature Physics, i ricercatori descrivono una metodologia sviluppata al fine di far crescere dei “micro-cervelli” da cellule umane che hanno permesso loro di seguire gli stessi meccanismi fisici e biologici alla base del processo di formazione delle rughe.
Al momento della nascita la maggior parte dei cervelli dei neonati si presenta già rugoso come una noce, in alcuni bambini appena nati invece il cervello appare come una “tabula rasa”. Tale difetto cerebrale prende il nome di sindrome del cervello liscio e comporta gravi carenze dello sviluppo e aspettative di vita marcatamente ridotte.
Il gene che causa questa sindrome ha recentemente aiutato i ricercatori del Weizmann Institute of Science ad indagare sulle cause della formazione delle rughe. Nel loro studio, riportato su Nature Physics, i ricercatori descrivono una metodologia sviluppata al fine di far crescere dei “micro-cervelli” da cellule umane che hanno permesso loro di seguire gli stessi meccanismi fisici e biologici alla base del processo di formazione delle rughe.
I micro-cervelli sono stati ottenuti da delle cellule staminali embrionali – i cosiddetti organoidi, introdotti nell’ultimo decennio dai Profs. Yoshiki Sasai in Giappone e Juergen Knoblich in Austria – e cresciuti in laboratorio.
Attualmente, il prof. Orly Reiner del Dipartimento di genetica molecolare del Weizmann Institute of Science afferma che il suo laboratorio, insieme a molti altri, ha abbracciato l’idea di coltivare gli organoidi ma, di risposta, il dott. Eyal Karzbrun, un membro del Reiner Lab, ha dovuto frenare il loro entusiasmo, sostenendo che le dimensioni ottenute erano tutt’altro che uniformi: assenza di vasi sanguigni, mancanza di un apporto costante di sostanze nutritive e interferenza dello spessore del tessuto con l’imaging ottico e il tracciamento del microscopio.
Di conseguenza dott. Karzbrun ha sviluppato un nuovo approccio per la crescita degli organoidi che permetterebbe di seguire il processo di crescita in tempo reale, attuando una limitazione della crescita sull’asse verticale. Questo tipo di approccio ha fornito un organoide a forma di “pita” – rotondo e piatto con uno spazio sottile nel mezzo, che consente di fornire sostanze nutritive a tutte le cellule. Grazie a questo sistema, a partire dalla seconda settimana di sviluppo del micro-cervello, le rughe cominciano ad apparire e poi a divenire più profonde. “Questa è la prima volta che il folding è stato osservato negli organoidi e pare che sia dovuto all’architettura del nostro sistema” sostiene il Dr. Karzbrun.
Le pieghe o le rughe su una superficie sono il risultato di instabilità meccanica, cioè forze di compressione applicate ad alcune parti del materiale. Quindi, per esempio, se c’è un’espansione irregolare in una parte del materiale, un’altra parte potrebbe essere costretta a piegarsi per poterla sopportare. Negli organoidi, gli scienziati hanno trovato tale instabilità meccanica in due punti: il citoscheletro – lo scheletro interno – delle cellule al centro dell’organoide contratto e i nuclei delle cellule vicino alla superficie espansa.
Mentre questo risultato era impressionante, il Prof. Reiner non era convinto che le rughe negli organoidi stessero davvero modellando le pieghe in un cervello in via di sviluppo. Così il gruppo ha sviluppato nuovi organoidi, questa volta con le stesse mutazioni portate dai bambini con la sindrome del cervello liscio. Il Prof. Reiner aveva identificato il gene LIS1 nel 1993 e ha continuato a studiare il suo ruolo nel cervello in via di sviluppo e nella malattia, che colpisce una su 30.000 nascite. Tra le altre cose, il gene è coinvolto nella migrazione delle cellule nervose al cervello durante lo sviluppo embrionale e nella regolazione del citoscheletro.
Gli organoidi con il gene mutato sono cresciuti fino alle stesse proporzioni del primo gruppo, ma hanno sviluppato poche pieghe e quelli che hanno sviluppato erano di forma molto diversa dalle normali rughe. Lavorando sul presupposto che le differenze nelle proprietà fisiche della cellula fossero responsabili di queste variazioni, il gruppo, con l’aiuto del Dr. Sidney Cohen del Dipartimento di Supporto alla Ricerca Chimica, ha studiato le cellule dell’organoide con il microscopio a forza atomica e ha notato che, in merito all’elasticità, le cellule normali erano circa due volte più rigide di quelle mutate.
Il Prof. Reiner afferma: “Abbiamo scoperto una differenza significativa nelle proprietà fisiche delle cellule nei due organoidi, ma abbiamo osservato differenze anche nelle loro proprietà biologiche. Per esempio, i nuclei nei centri degli organoidi si muovevano più lentamente e abbiamo notato differenze significative nell’espressione genica. Non è esattamente un cervello, ma è piuttosto un buon modello per il suo studio“.
I ricercatori hanno in programma di continuare a sviluppare il loro approccio, che ritengono possa portare a nuove conoscenze su altri disturbi legati allo sviluppo del cervello, tra cui microcefalia, epilessia e schizofrenia.
