Repliche di embrioni umani sono diventate più complesse. Ecco ciò che devi sapere.

Alcune masse di cellule di recente scoperta che crescono in piatti di laboratorio sono state salutate come le cose più simili agli embrioni umani mai realizzate in laboratorio dagli scienziati.

Queste entità sono modelli di embrioni umani - masse di cellule create a partire dalle cellule staminali che imitano alcune proprietà di determinati stadi dello sviluppo embrionale. Il risultato permette ai ricercatori di esaminare lo sviluppo umano oltre la prima settimana o poco più, quando un embrione deve impiantarsi nell'utero per svilupparsi ulteriormente. Quello stadio post-impianto non era stato ricreato in piatti di laboratorio - fino ad ora.

Sei studi riportati a giugno e luglio descrivono i modelli di embrioni, che hanno suscitato entusiasmo e preoccupazione in egual misura.

Per i ricercatori che lavorano su questi modelli di embrioni, i falsi embrioni sono nuovi strumenti per comprendere la "scatola nera" dello sviluppo umano, dopo l'impianto degli embrioni nell'utero. Sono utili perché gli embrioni umani donati sono scarsamente disponibili e ci sono limiti sui tipi di esperimenti che i ricercatori possono effettuare su di essi.

Circa il 60% delle gravidanze fallisce poco prima, durante o subito dopo l'impianto, ha affermato la biologa dello sviluppo e delle cellule staminali Magdalena Żernicka-Goetz dell'Università di Cambridge e del Caltech il 27 giugno durante una conferenza stampa che discuteva un modello di embrione realizzato nel suo laboratorio. Le conoscenze derivate dai modelli di embrioni possono fornire una nuova comprensione del motivo per cui molte gravidanze non riescono ad avere successo e possono portare a migliori trattamenti per la fertilità, ha detto Żernicka-Goetz.

Ma altre persone sono preoccupate che i modelli - insieme alle uova e allo sperma prodotti a partire dalle cellule staminali - sollevino il timore che i ricercatori possano utilizzare i falsi per creare bambini. Gli scienziati che sviluppano i modelli dicono che la riproduzione non è il loro obiettivo o intenzione e che l'impianto nell'utero è impossibile con questi modelli di embrioni.

Tuttavia, la ricerca solleva questioni su come - e se - regolamentare ciò che gli scienziati possono fare con entità simili a embrioni prodotte da cellule staminali. Sorgono domande su se i modelli di embrioni potrebbero o dovrebbero essere fatti crescere oltre l'equivalente di 14 giorni di sviluppo umano normale dopo la fecondazione. E i critici avvertono che esagerare ciò che i modelli sono o possono fare rischia di danneggiare la fiducia nella scienza.

Science News ha parlato con scienziati ed eticisti per saperne di più su questi modelli di embrioni umani.

Prima di rispondere a questa domanda, Amander Clark, presidente della Società internazionale per la ricerca sulle cellule staminali, dice che prima dobbiamo capire che un embrione umano è il prodotto della fecondazione di un uovo e di uno spermatozoo.

I modelli di embrioni, d'altra parte, si auto-assemblano a partire dalle cellule staminali pluripotenti, che hanno il potere di creare praticamente ogni tipo di cellula nel corpo. "Pertanto, i modelli di embrioni non rispondono alla definizione clinica, medica o scientifica di un embrione perché non provengono dal prodotto della fecondazione da parte di due gameti", afferma Clark, una scienziata delle cellule staminali, biologa dello sviluppo e genetista presso l'UCLA.

Per anni, gli scienziati hanno studiato la prima settimana o poco più dello sviluppo umano utilizzando embrioni umani donati o modelli di embrioni. Da questi, i ricercatori hanno appreso molto sulla formazione della massa di cellule conosciuta come blastocisti. Le blastocisti hanno uno strato esterno di cellule che daranno origine alla placenta e ad altri sistemi di supporto per lo sviluppo dell'embrione e un gruppo interno di cellule che darà origine al corpo.

Ottieni un grande giornalismo scientifico, dalla fonte più affidabile, consegnato direttamente a casa tua.

Ma è nelle settimane successive che avviene la vera azione, afferma il biologo delle cellule staminali e dell'embriologia Jacob Hanna dell'Istituto Weizmann della Scienza di Rehovot, in Israele. Tra il settimo giorno e circa il trentacinquesimo dopo la fecondazione è quando l'embrione forma tutti i suoi organi. "Passa da una massa di cellule a una struttura che chiunque per strada... ti direbbe: 'Questo è un embrione'. E poi gli altri otto mesi sono solo la crescita dell'embrione", dice.

I ricercatori hanno assemblato modelli di embrioni che contengono alcune, ma non tutte, le tipologie di cellule necessarie per uno sviluppo normale. I modelli di embrioni recentemente segnalati imitano strutture che si trovano in un embrione che si è impiantato nell'utero, anche se i falsi modelli non hanno nulla in cui impiantarsi. I modelli stanno simulando una finestra molto specifica dello sviluppo embrionale: "gli eventi che si verificano quando un embrione si impianta, come l'embrione si auto-assembla", dice Clark. "Poi, fondamentalmente, collassano".

Nessuno dei modelli copia completamente un vero embrione, dice. Ad esempio, nessuno crea un trophectoderma molto buono, lo strato di cellule che darà origine alla placenta più avanti nello sviluppo. Quello strato è importante per un embrione che si impianta nell'utero e invia segnali che aiutano il resto dell'embrione a svilupparsi correttamente.

I modelli di embrioni post-impianto hanno attirato l'attenzione dei media quando Żernicka-Goetz ha presentato i suoi primi risultati negli attimi finali di un discorso tenuto il 13 giugno a Boston in occasione di una riunione della Società Internazionale per la Ricerca sulle Cellule Staminali. Il giornale The Guardian ha applaudito il lavoro come una scoperta che ha creato embrioni umani sintetici.

Tale caratterizzazione esagera il risultato, afferma Alfonso Martinez Arias, un biologo dello sviluppo presso l'Università Pompeu Fabra di Barcellona. Il lavoro non è una scoperta, ma un avanzamento incrementale, e è lontano da ricreare un vero embrione, sostiene.

Żernicka-Goetz e i suoi colleghi hanno modificato geneticamente le cellule staminali umane per assomigliare a tre tipi di cellule necessarie per lo sviluppo dell'embrione: cellule che imitano il trophectoderm, che genera la placenta, cellule simili a quelle che formeranno il sacco vitellino che nutrirà l'embrione fino a quando non prenderà il sopravvento la placenta, e quelle che formeranno l'epiblasto, le cellule all'interno dell'embrione che si svilupperanno nel corpo. Il team ha affermato che le palle di cellule risultanti assomigliano ad alcuni aspetti degli embrioni umani in un articolo pubblicato il 27 giugno sulla rivista Nature.

Ad esempio, lo strato di trophectoderm si forma sulla parte esterna della struttura simile all'embrione, come accade negli embrioni veri. Tuttavia, non produce le proteine tipiche di quel tessuto quando assemblato in una struttura tridimensionale, quindi non è veramente un precursore placentare, ha affermato durante la conferenza stampa la coautrice Bailey Weatherbee dell'Università di Cambridge. Ma lo strato è necessario per il resto del modello di embrione per assemblarsi, suggerendo che svolga alcune delle funzioni del trophectoderm, ha detto.

Come il team di Żernicka-Goetz, tutti i gruppi di ricerca hanno iniziato con cellule staminali umane. Controllando attentamente le condizioni di crescita e il numero di determinati tipi di cellule aggiunte alla miscela, le cellule staminali sono cresciute fino a diventare strutture simili ad embrioni. I modelli differiscono per il numero di tipi di cellule che contengono e per le caratteristiche degli embrioni reali che possono imitare.

Un gruppo di ricercatori ha indotto le cellule staminali a formare strutture simili ad embrioni con due strati di tessuto. Tale lavoro, descritto il 27 giugno nella rivista Nature, non ha utilizzato manipolazione genetica o sostanze chimiche per indurre le cellule staminali a formare strutture simili ad embrioni. Invece, i ricercatori hanno fatto affidamento sulla capacità delle cellule staminali di auto-organizzarsi, afferma Berna Sozen, biologa dello sviluppo alla Yale School of Medicine.

Il modello risultante è privo del trophectoderm. Quando i ricercatori si sono resi conto che quel tessuto mancava, hanno pensato che questa assenza potesse dir loro qualcosa circa la sua importanza, dice. "Nell'assenza di questi tessuti si può vedere ciò che accadrà, ciò che non accadrà, e poi si ottengono forti intuizioni scientifiche sul perché sia necessario quel tessuto".

Un altro studio condotto da ricercatori in Cina e nel Michigan, descritto in un preprint non ancora soggetto a revisione tra il 16 giugno e pubblicato online su bioRxiv.org, è tecnicamente impressionante, dice Martinez Arias. Ma manca ancora un precursore placentare.

Più recentemente, un team guidato da Jun Wu del UT Southwestern Medical Center di Dallas è riuscito a convincere le cellule staminali a formare entità simili ad embrioni che comprendono l'evento di riorganizzazione chiamato gastrulazione, come riportato dai ricercatori il 20 luglio nella rivista Cell. Durante la gastrulazione, gli embrioni passano da sfere cave di cellule a strutture stratificate che daranno origine agli organi e ai tessuti che compongono il corpo.

Questi modelli "peri-gastruloidi" hanno sviluppato alcuni tessuti simili a quelli del sistema nervoso iniziale e potrebbero contribuire a confermare l'origine delle cellule che daranno origine agli ovuli e allo sperma. Questi modelli contengono anche un sacco vitellino, ma "il nostro modello non è completo", dice Wu. "Non abbiamo il tessuto placentare".

Poiché i modelli non contengono il trophectoderm, i ricercatori hanno dovuto aggiungere proteine per ancorare e sostenere i gastruloidi affinché possano svilupparsi correttamente.

Un team di ricercatori in Cina ha riferito dei risultati preliminari di gastruloidi simili con sacchi vitellini il 28 giugno su bioRxiv.org. Il team ha scoperto che il farmaco talidomide altera la formazione degli strati di tessuto e interrompe lo sviluppo.

In futuro, i ricercatori potrebbero utilizzare questi modelli per capire come i composti chimici presenti nell'ambiente possano influenzare lo sviluppo degli embrioni, afferma Wu.

Martinez Arias e altri in precedenza hanno creato gastruloidi che potevano modellare lo sviluppo fino al 19° giorno dopo il concepimento, ma quei modelli precedenti non avevano sacchi vitellini.

Di questa "corsa all'oro" di modelli di embrioni, solo due sono veri progressi, afferma Martinez Arias: i gastruloidi di Wu e i modelli di embrioni creati dal gruppo di Hanna.

I modelli di Hanna, descritti in una pre-stampa pubblicata il 15 giugno su bioRxiv.org, hanno una ragionevole assimilazione sia del sacco vitellino che del precursore placentare, afferma Martinez Arias, e creano strutture con una somiglianza "incredibile" a quelle degli embrioni a 14 giorni di sviluppo.

Il processo per ottenere un modello di embrione così simile a quello reale è stato lungo, dice Hanna. Il suo team ha prima scoperto come far crescere gli embrioni di topo oltre questa fase di sviluppo in laboratorio. Utilizzando gli embrioni di topo come "bussola sperimentale", i ricercatori hanno poi scoperto come assemblare un modello di embrione di topo dalle cellule staminali. Da lì, il team ha utilizzato i trucchi che avevano imparato per far crescere le cellule staminali umane in condizioni che le inducevano ad auto-assemblarsi in strutture che approssimano gli embrioni post-implantazione. L'auto-assemblaggio ha bypassato la fase del blastocisto e si è diretto direttamente verso qualcosa simile a un embrione post-implantazione, ha scoperto il suo team. "Forse gli embrioni [modelli] sono carenti perché non passiamo attraverso la fase del blastocisto. Non penso, ma al momento non posso escluderlo,"dice Hanna. No, ma quella domanda viene sempre posta. Gli scienziati sono interessati ai progressi tecnici e biologici che i nuovi modelli di embrioni portano. Ma per la maggior parte delle persone, "è davvero la possibilità che possano essere utilizzati per la riproduzione che attira l'attenzione,"dice Katie Hasson, direttrice associata del Center for Genetics and Society, un'organizzazione no-profit per la giustizia sociale con sede a Berkeley, California. Gli scienziati dicono che non è possibile utilizzare questi modelli di embrioni per la riproduzione. "Non solo è illegale inserire questi modelli di embrioni tardivi nell'utero, ma in realtà se volessi, o se qualcun altro volesse, queste strutture non potrebbero mai impiantarsi," dice Hanna. L'impianto avviene solo quando gli embrioni sono costituiti da una a 64 cellule. Questi modelli post-implantazione sono andati oltre questa fase. Biologicamente, dice, "non avranno mai successo." Wu è d'accordo. "Questi modelli non sono embrioni umani affatto," dice. "Non sono in grado di generare alcun tipo di vita. Sono essenzialmente solo un ammasso di cellule." Esistono anche ostacoli legali per far crescere gli embrioni in laboratorio oltre una certa fase. Nel Regno Unito, la legge vieta la crescita degli embrioni oltre i 14 giorni di sviluppo, il punto in cui l'embrione avvia il suo programma di costruzione del corpo. Questo limite è stato imposto poco dopo che la fecondazione in vitro è diventata possibile. Ma alcuni di questi modelli di embrioni assomigliano già agli embrioni allo stadio di sviluppo di 14 giorni. Dal momento che i modelli non vengono creati attraverso la fecondazione e non potrebbero mai dare origine a una persona, alcuni ricercatori sostengono che non dovrebbero essere soggetti alla regola dei 14 giorni. Negli Stati Uniti, non c'è una legge che vieti la crescita degli embrioni oltre i 14 giorni, ma il "Dickey-Wicker Amendment" del 1995 proibisce agli Istituti Nazionali di Salute degli Stati Uniti di finanziare la ricerca sugli embrioni o sulle cellule simili a embrioni con "potenziale organizzativo," dice Clark. Dal momento che questi modelli mancano di parti fondamentali, non hanno potenziale per creare un organismo - quindi la ricerca con i modelli di embrioni può essere finanziata. Di recente, la società internazionale delle cellule staminali ha aggiornato le sue linee guida, suggerendo che se gli scienziati desiderano coltivare embrioni generati dalla fecondazione per più di 14 giorni, devono ottenere l'approvazione pubblica nella loro giurisdizione. Dal momento che i modelli non sono embrioni, le linee guida della società suggeriscono che possono essere coltivati fino a quando appare una struttura chiamata "smorzamento primitivo", segnalando che l'embrione sta iniziando a costruire il corpo. L'obiettivo per la maggior parte degli scienziati del settore è comprendere il processo con cui le cellule si assemblano per formare un embrione e quindi creare tutti gli organi e i tessuti del corpo, dice Martinez Arias. Non è né necessario né desiderabile, e forse nemmeno possibile, costruire una replica perfetta di un embrione. "Certo non penso che sia qualcosa che vogliamo fare, o che dovremmo fare o dire," dice. "E questo non è qualcosa che è all'orizzonte." Tuttavia, gli scienziati devono mettere in pausa per valutare accuratamente le strutture simili agli embrioni e determinare come possano aiutare a comprendere lo sviluppo umano, dice Martinez Arias. "Spero che ora possiamo tutti sviluppare questi sistemi in modo utile per la ricerca, invece di cercare di vedere quanto lontano nello spazio possiamo arrivare, senza pensare a come possiamo tornare." Le conversazioni con il pubblico su ciò che i modelli di embrioni rappresentano scientificamente, filosoficamente e legalmente, e su come utilizzarli eticamente, devono iniziare ora, dice Hasson. "Dobbiamo pensarci ora perché non è il caso, e non dovrebbe essere il caso, che i limiti tecnici di ciò che gli scienziati possono attualmente fare con questi modelli debbano definire la discussione etica e quali debbano essere i limiti etici." La nostra missione è fornire notizie accurate e coinvolgenti sulla scienza al pubblico. Tale missione non è mai stata così importante come oggi. Come organizzazione di informazione non profit, non possiamo farlo senza il tuo aiuto.

Your support enables us to keep our content free and accessible to the next generation of scientists and engineers. Invest in quality science journalism by donating today.