Che cosa? I "reni umani" possono crescere nel corpo dei maiali? I nostri scienziati ci sono riusciti!

Nei film e nelle serie TV vediamo spesso trame in cui il protagonista ha bisogno di un trapianto di organi. In realtà queste trame non sono lontane da noi.

Ogni anno ci sono circa 300.000 pazienti in attesa di trapianto di organi a causa di insufficienza d'organo allo stadio terminale, ma il numero di trapianti di organi eseguiti ogni anno è di soli 20.000 circa. Se riuscissimo a produrre un numero sufficiente di organi adatti, così come produciamo i pezzi di ricambio per auto, potremmo salvare innumerevoli pazienti bisognosi di cure mediche o addirittura raggiungere "l'immortalità".

Nel settembre 2023, alcuni scienziati cinesi hanno pubblicato un articolo di copertina sulla rivista accademica internazionale Cell Stem Cell, affermando di aver coltivato con successo un rene umanizzato in fase intermedia in un maiale. Si tratta del primo caso segnalato al mondo di coltivazione xenogenica in vivo di un organo funzionale umanizzato.

Fonte dell'immagine: Copertina del numero corrente di Cell Stem Cell

Come si passa da una cellula a un organo?

Un seme può crescere fino a diventare un albero imponente attraverso la coltivazione, e il "seme" che si sviluppa in un essere umano è chiamato ovulo fecondato. L'ovulo fecondato è una cellula onnipotente formata dalla fecondazione dello spermatozoo e dell'ovulo. La cosiddetta onnipotenza è dovuta al fatto che questa cellula può generare da 40 a 60 trilioni di cellule con lo stesso materiale genetico ma con funzioni identiche o diverse attraverso la proliferazione e la differenziazione cellulare.

Tra queste, le cellule dello stesso tipo si riuniscono per formare tessuti con strutture e funzioni specifiche . Ad esempio, il nostro tessuto muscolare è formato dall'aggregazione di cellule muscolari. La combinazione organica, la crescita e lo sviluppo di diversi tessuti funzionali formeranno organi con determinate forme e funzioni . Ad esempio, il cuore è composto da tessuto miocardico, tessuto endocardico e tessuto pericardico.

Fonte dell'immagine: pexels

Sebbene la formazione degli organi si completi durante il periodo embrionale e fetale e la maggior parte degli organi negli adulti non subisca più rigenerazione e ricostruzione su larga scala, alcune cellule staminali vengono trattenute nel corpo per riparare gli organi danneggiati . Ad esempio, le nostre cellule del sangue derivano dalla divisione e dalla differenziazione delle cellule staminali emopoietiche del midollo osseo, ed è anche il motivo per cui il trapianto di midollo osseo può curare la leucemia. Quando la pelle subisce una ferita, lo strato basale delle cellule staminali della pelle si differenzia e si rigenera, il che è fondamentale anche per la guarigione della ferita.

In linea di principio, possiamo coltivare organi in vitro ottenendo cellule staminali , ma gli organi non sono una sovrapposizione fisica di cellule; richiedono una regolazione fisiologica precisa.

Come si ottiene la coltura degli organi in vitro?

La conoscenza dei meccanismi di regolazione dello sviluppo degli organi è un prerequisito per la coltura degli organi in vitro . Grazie agli sforzi di innumerevoli scienziati, abbiamo acquisito una conoscenza preliminare dei meccanismi di regolazione dello sviluppo degli organi; anche organi con strutture relativamente semplici, come la pelle, possono essere coltivati ​​in vitro.

Nel 2022, il reparto di chirurgia delle ustioni dell'ospedale Changhai di Shanghai ha eseguito con successo la prima "tecnologia di trapianto autologo di cellule epidermiche" in Cina per riparare ustioni di grandi dimensioni. L'équipe chirurgica ha prima tagliato 5 centimetri quadrati di pelle normale dal paziente e poi li ha coltivati ​​in una matrice di coltura cellulare.

Grazie all'azione di fattori regolatori della crescita, le cellule epidermiche autologhe si sono espanse fino a raggiungere un numero di oltre 4.000 volte superiore a quello originale in 2 settimane e, infine, la membrana cellulare epidermica autologa formata è stata trapiantata nel paziente. Il tempo di recupero iniziale da 2 a 3 mesi per i pazienti trattati in modo convenzionale è stato ridotto a un mese, il tasso di riparazione dei danni alla pelle ha raggiunto il 100% e il paziente è stato in grado di alzarsi dal letto e camminare normalmente.

Per gli organi più complessi della pelle, gli scienziati utilizzano materiali biomedici per completare la coltivazione in vitro o in vivo di organi come muscoli, ossa e ovaie. Prendendo come esempio la rigenerazione del tessuto osseo, gli scienziati utilizzano prima materiali biomedici per costruire un'impalcatura cellulare, che limita lo spazio tridimensionale in cui le cellule staminali possono sopravvivere. Successivamente, gli osteoblasti autologhi separati, le cellule staminali stromali del midollo osseo e i condrociti vengono fissati al supporto cellulare per la coltura. Sotto la stimolazione di fattori regolatori e l'azione dei nutrienti, queste cellule staminali crescono sull'impalcatura tridimensionale prefabbricata per formare l'osso da trapiantare.

Diagramma schematico di un'impalcatura in idrogel a base di tofu per la rigenerazione e la riparazione del tessuto osseo. Fonte dell'immagine: Riferimenti [4] [5]

Per gli organi più complessi, sebbene gli scienziati siano riusciti a far crescere con successo mini cuori e mini cervelli in laboratorio, a causa della mancanza di ricerche approfondite sul meccanismo di sviluppo degli organi, non è ancora possibile far crescere completamente in laboratorio un organo umano di dimensioni adatte e con funzioni complete per il trapianto. Per questo motivo, lo xenotrapianto e l'uso di altre specie per la coltivazione di organi umani sono diventati uno dei focus della ricerca degli scienziati.

Tuttavia, il trapianto o la coltivazione di organi xenogenici presentano seri problemi di sicurezza, il più importante dei quali è il rigetto immunitario. Il sistema immunitario è il reparto di difesa del nostro corpo. La sua funzione è quella di identificare il "sé" e il "non-sé", proteggere i componenti "sé" come gli organi del corpo e uccidere i componenti "non-sé" come virus, batteri e organi xenogenici. La causa principale di morte nei pazienti precedentemente sottoposti a trapianti di organi xenogenici è stato il rigetto immunitario.

Con lo sviluppo della biotecnologia, la tecnologia di editing genetico fornisce una soluzione per ridurre il rigetto immunitario e migliorare il tasso di sopravvivenza dei trapianti di organi.

I maiali sviluppano "reni umani"?

Grazie a continui sforzi, gli scienziati hanno acquisito una comprensione più approfondita delle funzioni dei geni responsabili del rigetto immunitario e della formazione dei reni.

In questo studio, gli scienziati hanno utilizzato la tecnologia di editing genetico per eliminare i geni responsabili del rigetto immunitario nei suini, in modo da ottenere un modello di maiale immunodeficiente. Ma anche senza il rigetto immunitario, far sì che le cellule staminali umane sopravvivano nei suini e si differenzino in reni umanizzati resta una grande sfida.

Per ottenere cellule staminali chimeriche con forti capacità di sopravvivenza e differenziazione nei suini, il team di ricerca ha condotto una ricerca approfondita sul meccanismo di barriera interspecie e ha scoperto che la sovraespressione dei due geni MYCN e BCL2 può consentire alle cellule staminali umane di sopravvivere meglio nei suini. Aggiungendo composti che promuovono la differenziazione e fattori regolatori al terreno di coltura delle cellule staminali, abbiamo finalmente ottenuto cellule staminali renali (cellule 4CL/N/B) dotate sia di capacità di sopravvivenza che di differenziazione.

Fonte dell'immagine: Riferimento [1]

Dopo aver risolto il problema fondamentale della sopravvivenza cellulare, un altro difficile problema che gli scienziati devono affrontare è come far sì che le cellule staminali umane trapiantate nei maiali sostituiscano le cellule staminali suine e si sviluppino in "reni umanizzati". Il team di ricerca ha deciso di eliminare diversi geni chiave responsabili dello sviluppo dei reni dei maiali per ottenere maiali con deficit renali, fornendo così spazio di sviluppo sufficiente alle cellule umane per "sostituirli". Questa tecnica, chiamata compensazione embrionale, è da tempo una sfida fondamentale nella coltura xenogenica di organi.

Grazie alla stretta collaborazione tra diversi team di ricerca e a ripetuti tentativi, è stato infine determinato il piano ottimale per la coltivazione di reni umanizzati: l'iniezione di 3-5 cellule staminali umane dalla morula allo stadio iniziale di blastocisti dello sviluppo embrionale può massimizzare la possibilità di ottenere embrioni chimerici. Allo stesso tempo, per risolvere il problema della difficoltà nella coltura di embrioni chimerici in vitro dovuta alle diverse condizioni di coltura delle cellule umane e suine, il team di ricerca ha determinato le condizioni di coltura ottimali per gli embrioni chimerici attraverso un'ampia esplorazione. Grazie agli sforzi congiunti di più team, i reni di 5 dei 1.820 embrioni trapiantati si sono sviluppati fino alla seconda fase. L'autopsia rivelò che il 70% delle cellule renali erano di origine umana, il che indica che la coltivazione di reni chimerici aveva avuto successo.

Il processo di crescita degli organoidi. Fonte dell'immagine: Riferimento [1]

Infatti, oltre ai maiali, ci sono molti animali utilizzati per la ricerca sugli organoidi, come scimmie, topi, capre, ecc. Tuttavia, che si tratti di xenotrapianto o di coltivazione di organi, i maiali sono i donatori di organi più comuni perché, rispetto ad altri animali, gli organi di maiale e quelli umani hanno dimensioni, struttura e funzione simili, il che li rende facili da abbinare. Allo stesso tempo, in quanto animali domestici adulti, i maiali hanno un ciclo riproduttivo più breve, costi di allevamento inferiori e meno problemi etici rispetto ai primati.

A cosa serve coltivare organoidi?

Oltre al rene, gli altri studi sugli organoidi includono il fegato, il cuore, i polmoni e l'intestino. La ricerca sugli organoidi è ancora agli inizi, la tecnologia è molto immatura e c'è ancora molta strada da fare prima che possa essere applicata al trapianto di organi.

Organoidi cardiaci. Fonte dell'immagine: Riferimento [2]

Tuttavia, l'applicazione degli organoidi nello studio dello sviluppo degli organi e dei meccanismi delle malattie, nella modellazione delle malattie e nello screening dei farmaci ha prodotto risultati iniziali . Ad esempio, nel campo dello screening dei farmaci, la ricerca e lo sviluppo di farmaci convenzionali devono attraversare più fasi, come la sperimentazione sugli animali e la ricerca clinica. Non solo la ricerca e lo sviluppo sono lunghi e costosi, ma alcuni farmaci sono altamente tossici e possono causare la morte di esseri umani e animali.

L'utilizzo degli organoidi per studiare la tossicità e l'efficacia non solo è più vicino agli effetti reali sul corpo umano rispetto agli esperimenti sugli animali, ma può anche abbreviare il ciclo di ricerca e sviluppo e far risparmiare sui costi di ricerca e sviluppo. Ad esempio, il farmaco anticorpale bispecifico MCLA-158, attualmente in fase II di sperimentazione clinica, è stato sottoposto a screening tramite organoidi e ha mostrato eccellenti risultati clinici. I modelli organoidi hanno dimostrato un successo iniziale anche nello screening di farmaci per il cancro del colon-retto e la fibrosi polmonare.

Applicazioni degli organoidi. Fonte dell'immagine: Riferimento [3]

Sebbene gli organoidi abbiano ampie prospettive applicative, dobbiamo essere consapevoli anche delle sfide e dei limiti. Ad esempio, la nostra attuale comprensione dello sviluppo degli organi è ancora incompleta, gli organoidi non sono in grado di simulare le funzioni fisiologiche degli organi reali e la tecnologia per la coltivazione degli organoidi è ancora immatura.

Ma in generale, grazie ai loro vantaggi e potenzialità unici, gli organoidi hanno ampie prospettive di applicazione nello sviluppo di farmaci, nella medicina di precisione, nella medicina rigenerativa e in altri campi. Potrebbero svolgere un ruolo importante nella futura ricerca medica e contribuire alla salute umana.

Riferimenti

[1] Cellula staminale. 2023 settembre 7;30(9):1235-1245.e6. doi: 10.1016/j.stem.2023.08.003.

[2] Lee, J., e altri Generazione in vitro di organoidi cardiaci murini funzionali tramite FGF4 e matrice extracellulare. Nat Commun 11, 4283 (2020).

[3] Corrò, C., Novellasdemunt, L. & Li, VSW Una breve storia degli organoidi. Cell Physiol 319, C151-C165 (2020).

[4] Il signor Huang Keqing; Liu Guiting; Italiano: Wu Jun. Il tofu è un'eccellente impalcatura per la potenziale rigenerazione ossea. Lettere chimiche cinesi (2020)

[5]Huang, Keqing; Giuseppe, Giuseppe; Wu, Jun. Idrogel incorporati nel tofu per una potenziale rigenerazione ossea. ACS BIOMATERIALS SCIENCE &ENGINEERING (2020)

Pianificazione e produzione

Fonte: Museo della scienza e della tecnologia di Shanghai (ID: sstm01)

Autore: Hu Zhiguo, PhD, Centro di eccellenza nella scienza molecolare delle cellule, Accademia cinese delle scienze

Redattore: Bai Li