Gli embrioni ibridi che chiariscono le fasi cruciali dello sviluppo / Hybrid embryos that clarify the crucial phases of development

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Prime fasi di sviluppo di un embrione umano (age fotostock / AGF) / Early stages of development of a human embryo

Una nuova tecnica, frutto di un'operazione di trapianto di cellule umane in embrioni di pollo, rivela i primi stadi dello sviluppo di un nuovo individuo senza ricorrere a embrioni umani, il cui uso a scopo di ricerca è consentito in molti paesi solo fino al quattordicesimo giorno. Ma alcuni esperti sollevano dubbi sull'utilità di surrogati embrionali che non siano pienamente umani.

Prima di potersi sviluppare in un embrione, un ammasso di cellule deve decidere quale fine fare. Ma questo processo non era mai stato osservato negli umani, almeno finora.

Per la prima volta, un gruppo di ricercatori ha osservato cellule umane "organizzatrici" dirigere la formazione della parte superiore, inferiore, anteriore e posteriore dell'embrione. Lo hanno fatto sviluppando una tecnica che elude le restrizioni alla ricerca sugli embrioni umani mediante il trapianto di cellule umane in embrioni di pollo. Il metodo, pubblicato il 23 maggio su "Nature", potrebbe soppiantare l'uso di embrioni umani in alcuni esperimenti di laboratorio.

Le cellule organizzatrici furono scoperte nel 1924, durante una serie di esperimenti condotti in Germania sulle salamandre. Una coppia di biologi dello sviluppo trapiantò cellule dalla parte posteriore di un embrione di salamandra sulla parte anteriore di un altro embrione, dove le cellule si svilupparono in una seconda salamandra, congiunta alla prima. Questo suggerì che certe cellule della parte posteriore di un embrione potevano organizzare le cellule a loro vicine nella complessa serie di strutture che compongono un animale.

Da allora, i ricercatori hanno identificato le cellule organizzatrici negli embrioni di molte altre specie. Ma gli scienziati non avevano mai osservato tali cellule guidare le fasi iniziali dello sviluppo umano. Le linee guida e le leggi etiche di molti paesi – tra cui gli Stati Uniti – vietano agli scienziati di compiere sperimentazioni su embrioni umani di più di 14 giorni di vita, che è il periodo in cui potrebbero formarsi le cellule organizzatrici.

"Nessuno sapeva che cosa succedesse dopo che la blastula si attacca all'utero", dice Ali Brivanlou, biologo dello sviluppo della Rockefeller University di 

New York City e autore principale dell'ultimo studio.

Due in uno
Nel 2016, il gruppo di Brivanlou è stato il primo a coltivare embrioni umani in vitro fino al limite dei 14 giorni. Ma i ricercatori hanno fermato il lavoro prima del punto in cui gli embrioni iniziano una complessa riorganizzazione che porta alla crescita di arti e organi. Non hanno visto le cellule organizzatici negli embrioni umani prima che l'esperimento finisse.

Nell'ultimo studio, il team ha aggirato la regola dei 14 giorni sviluppando strutture simili agli embrioni a partire da cellule staminali embrionali umane.

Coltivando le cellule su piccoli quadrati di soli 22 millimetri di lato, i ricercatori hanno forzato le cellule a organizzarsi in strutture invece di propagarsi linearmente. Hanno anche trattato le cellule con diversi di fattori di crescita che le hanno stimolate a formare i vari strati cellulari visti nei primi embrioni. I test hanno rivelato che le strutture simili agli embrioni includevano un gruppo di cellule che esprimevano i geni osservati nelle cellule organizzatrici di altre specie.

Brivanlou e colleghi hanno poi trapiantato gli ammassi di cellule umane simili a embrioni su embrioni di pollo di 12 ore (che approssimativamente sono l'equivalente di un embrione umano di 14 giorni). I ricercatori hanno scoperto che, mentre gli embrioni modificati crescevano, le cellule organizzatrici umane inducevano le cellule di pollo a differenziarsi e a formare un secondo sistema nervoso di pollo.

Questo risultato riproduce i risultati dell'esperimento sulle salamandre del 1924, dice Brivanlou, anche se i suoi embrioni ibridi non hanno vissuto abbastanza a lungo da arrivare alla schiusa delle uova.

Studiare la crescita
Martin Pera, ricercatore di cellule staminali presso il Jackson Laboratory di Bar Harbor, nel Maine, è rimasto colpito dallo studio. "Questo sistema potrà portare a molte cose" – spiega – compresa una migliore comprensione dei difetti nello sviluppo precoce di embrioni umani che possono causare aborti spontanei e una migliore capacità di confrontare le strutture simili agli embrioni con colture di cellule staminali umane, per definire meglio le potenzialità delle cellule staminali.

Microfotografia di embrione di pollo alla sessantesima ora di sviluppo (Science Photo Library / AGF) / Micrograph of a chicken embryo at the sixtieth hour of development

La tecnica potrebbe anche evitare i problemi etici associati allo studio degli embrioni umani in laboratorio. "È un vero progresso: è bello che questo possa essere osservato senza bisogno di usare embrioni", afferma Martin Blum, biologo dello sviluppo dell'Università di Hohenheim, a Stoccarda, in Germania. "Al momento non riuscivo a pensare a un caso in cui sarebbe stato necessario un embrione umano in una fase precoce di sviluppo per rispondere alle domande di base."

Brivanlou non è d'accordo. "Non esiste alcun surrogato del vero embrione che ne consenta lo studio", spiega. "Tutto ciò che otteniamo con i modelli è una semplificazione eccessiva".

Il prossimo passo, sottolinea, è determinare esattamente in che modo le cellule organizzatrici umane influenzano le loro vicine. Questo potrebbe ispirare gli sforzi per manipolare le cellule staminali umane in specifici tessuti o strutture, come parte delle terapie per rigenerare organi e tessuti. "Le cellule staminali embrionali umane e le cellule uovo hanno tutte le informazioni", dice Brivanlou. "Ogni altra cosa serve a far cadere la prima tessera del domino."

ENGLISH

A new technique, the result of a human cell transplant operation in chicken embryos, reveals the early stages of the development of a new individual without resorting to human embryos, whose use for research purposes is allowed in many countries only up to fourteenth day. But some experts raise doubts about the usefulness of embryonic surrogates that are not fully human.

Before being able to develop into an embryo, a cluster of cells must decide what to do. But this process had never been observed in humans, at least until now.

For the first time, a group of researchers observed "organizing" human cells to direct the formation of the upper, lower, anterior and posterior sides of the embryo. They did this by developing a technique that circumvents the restrictions on human embryo research by transplanting human cells into chicken embryos. The method, published May 23 in "Nature", could supplant the use of human embryos in some laboratory experiments.

The organizing cells were discovered in 1924, during a series of experiments conducted in Germany on salamanders. A pair of developmental biologists transplanted cells from the back of a salamander embryo to the front of another embryo, where the cells developed into a second salamander, joined to the first. This suggested that certain cells in the back of an embryo could organize cells close to them in the complex series of structures that make up an animal.

Since then, researchers have identified organizing cells in the embryos of many other species. But scientists had never observed such cells lead the early stages of human development. The guidelines and ethical laws of many countries - including the United States - prohibit scientists from experimenting with human embryos of more than 14 days of life, which is the period when organizing cells could form.

"No one knew what would happen after the blastula attaches to the uterus," says Ali Brivanlou, developmental biologist at Rockefeller University in New York City and principal author of the latest study.

Two in one

In 2016, the Brivanlou group was the first to cultivate human embryos in vitro up to the 14 day limit. But the researchers stopped the work before the point where the embryos begin a complex reorganization that leads to the growth of limbs and organs. They did not see the organizational cells in human embryos before the experiment ended.

In the latest study, the team bypassed the 14-day rule by developing embryo-like structures from human embryonic stem cells.

By growing the cells on small squares of only 22 millimeters per side, the researchers forced the cells to organize themselves into structures instead of spreading linearly. They also treated cells with different growth factors that stimulated them to form the various cell layers seen in early embryos. Tests revealed that embryo-like structures included a group of cells that expressed the genes observed in the cells that organized other species.

Brivanlou and colleagues then transplanted the clusters of human cells similar to embryos on chicken embryos of 12 hours (which is approximately the equivalent of a 14-day human embryo). The researchers found that while the modified embryos grew, the human organizing cells induced chicken cells to differentiate and form a second chicken nervous system.

This result reproduces the results of the 1924 salamander experiment, Brivanlou says, even though its hybrid embryos have not lived long enough to hatch eggs.

Studying growth

Martin Pera, a stem cell researcher at the Jackson Laboratory in Bar Harbor, Maine, was struck by the study. "This system can lead to many things" - he explains - including a better understanding of the defects in the early development of human embryos that can cause spontaneous abortions and a better ability to compare embryo-like structures with human stem cell cultures, to better define the potential of stem cells.

The technique could also avoid the ethical problems associated with the study of human embryos in the laboratory. "It's true progress: it's nice that this can be observed without the need to use embryos," says Martin Blum, developmental biologist at the University of Hohenheim in Stuttgart, Germany. "At the moment I could not think of a case where a human embryo would be needed at an early stage of development to answer the basic questions."

Brivanlou does not agree. "There is no substitute for the true embryo that allows it to be studied", he explains. "All we get with the models is an oversimplification".

The next step, he points out, is to determine exactly how human organizing cells influence their neighbors. This could inspire efforts to manipulate human stem cells in specific tissues or structures, as part of therapies to regenerate organs and tissues. "Human embryonic stem cells and egg cells have all the information," says Brivanlou. "Everything else is used to drop the first domino card."

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/05/29/news/embrioni_ibridi_uomo_pollo_sviluppo-3998682/?ref=nl-Le-Scienze_01-06-2018