Stanno arrivando embrioni umani artificiali e nessuno sa come gestirli

PER GENTILE CONCESSIONE DI ARYEH WARMFLASH, UNIVERSITÀ DEL RISO Per gentile concessione di Aryeh Warmflash, Rice University.

Yue Shao non aveva mai visto niente di simile.

Due anni fa, Shao, un ingegnere meccanico con un talento per la biologia, stava lavorando con cellule staminali embrionali, del tipo derivato da embrioni umani in grado di formare qualsiasi tipo di cellula. Mentre sperimentava modi per far sì che le cellule formassero strutture tridimensionali più organizzate facendole crescere in impalcature di gel morbido, stava cercando segni di tessuto neurale primitivo.

Ciò che ha attirato la sua attenzione è stato che le cellule sembravano cambiare molto più velocemente del previsto: si sono disposte rapidamente in pochi giorni in un cerchio sbilenco.

Cosa è stato? Shao ha sorpreso Google per vedere se poteva identificare la struttura. Fu allora che arrivò su un sito web chiamato The Embrione umano virtuale e ha trovato alcune foto al microscopio di embrioni umani di dieci giorni poco dopo l'impianto, fusi alla parete uterina. C'era l'inizio del sacco amniotico e, al suo interno, il disco embrionale, o futuro corpo. Corrispondevano a ciò che stava vedendo.

In questo filmato al microscopio, girato in quattro giorni, le cellule staminali si auto-organizzano in modi che imitano un embrione umano. Per gentile concessione dell'Università del Michigan

Shao ha informato i suoi colleghi, un team misto di biologi e ingegneri, dell'Università del Michigan. Quando ho mostrato l'immagine alla squadra, tutti hanno detto: Wow, dobbiamo capire cosa fare, dice Shao. Avevano in qualche modo ricavato un vero embrione umano dalle cellule staminali? A quel punto, abbiamo iniziato a essere più cauti.

Le strutture embrionali, ha presto determinato il team, non sono complete e non potrebbero diventare una persona. Non hanno i tipi cellulari necessari per creare una placenta, un cuore o un cervello. Anche così, gli embrioni del Michigan sono abbastanza realistici che il laboratorio li ha distrutti usando un bagno di detersivo o formaldeide per assicurarsi che non si sviluppassero ulteriormente.

Il lavoro nel Michigan fa parte di un più ampio boom della ricerca sugli organoidi: gli scienziati stanno utilizzando le cellule staminali per creare gruppi di cellule che assomigliano sempre più a frammenti di cervello, polmoni o intestino (vedi 10 tecnologie innovative: organoidi cerebrali). Ora alcuni come Shao stanno scoprendo che è possibile imitare l'embrione stesso. Quest'anno, ad esempio, i ricercatori di Cambridge, nel Regno Unito, hanno costruito un replica convincente di un embrione di topo di sei giorni combinando due tipi di cellule staminali. Quel gruppo sta ora cercando di fare lo stesso con le cellule umane, come pochi altri, incluso uno alla Rockefeller University di New York. Ciò che sta emergendo, affermano gli scienziati, è una nuova tecnologia, che chiamano embriologia sintetica, e che secondo loro potrebbe consentire loro di sondare in dettaglio per la prima volta gli affascinanti capitoli iniziali dello sviluppo umano.

È stato difficile da fare perché gli embrioni normali non continuano a crescere per più di una settimana in un laboratorio. Gli eventi chiave successivi sono in gran parte inaccessibili alla scienza: si verificano nell'oscurità dell'utero umano anche prima che la maggior parte delle donne sappia di essere incinta.

Un dispositivo microfluidico utilizzato presso l'Università del Michigan per coltivare organoidi ricavati da cellule embrionali. Circa 10 organoidi possono entrare in ciascuno dei piccoli canali blu. Per gentile concessione dell'Università del Michigan

Inoltre, la ricerca sui veri embrioni umani è perseguitata dalla politica dell'aborto, limitata dalle leggi sui finanziamenti e limitata alle forniture delle cliniche di fecondazione in vitro. Ora, invece, coltivando embrioni, gli scienziati vedono un modo per aggirare tali limiti. Stanno già lanciando l'intera suite di moderni strumenti di laboratorio - editing genetico, optogenetica, microscopi ad alta velocità - in modi che consentono loro di ripetere un esperimento centinaia di volte o, con la magia genetica, di porre migliaia di domande contemporaneamente.

Un risultato già dal team del Michigan: video ravvicinato drammatico di cellule staminali che si auto-organizzano in strutture che imitano gli embrioni.

È sorprendente che [le cellule staminali] abbiano questa capacità, dice Jiangping Fu , il professore dell'Università del Michigan nel cui laboratorio di ingegneria Shao era uno studente. Dice che l'emergere di qualcosa con la forma di un embrione, e alcune delle sue caratteristiche, è stata una completa sorpresa; Non riesco ancora a crederci. Ma mostra che queste cellule ricordano cosa dovrebbero fare.

Gli scienziati del Michigan ora hanno in programma di produrre embrioni a centinaia. Questi potrebbero essere utilizzati per selezionare i farmaci per vedere quali sono le cause dei difetti alla nascita, trovarne altri per aumentare le possibilità di gravidanza o per creare materiale di partenza per organi generati in laboratorio. Ma i litigi etici e politici potrebbero non essere da meno. Questa è una nuova frontiera calda sia nella scienza che nella bioetica. E sembra probabile che rimanga controverso per i prossimi anni, afferma Jonathan Kimmelman, membro dell'unità di bioetica della McGill University, a Montreal, e leader di un'organizzazione internazionale di scienziati sulle cellule staminali.

Cosa sta davvero crescendo nel piatto? Non c'è una risposta facile a questo. In effetti, nessuno è nemmeno sicuro di come chiamare queste nuove entità. A marzo, un team dell'Università di Harvard ha offerto entità umane sintetiche con caratteristiche simili a un embrione, o SHEEFS, in una carta avvertendo che molte nuove varietà sono all'orizzonte, inclusi mini-cervelli realistici.

Shao, che sta continuando la sua formazione al MIT, ha approfondito la questione etica ed è giunto alle sue conclusioni. Molto presto nella nostra ricerca abbiamo iniziato a prestare attenzione al motivo per cui lo stiamo facendo? È davvero necessario? Abbiamo deciso di sì, stiamo cercando di far crescere una struttura simile a una parte dell'embrione umano precoce che è altrimenti difficile da studiare, dice Shao. Ma non genereremo un embrione umano completo. Non posso semplicemente considerare i miei sentimenti. Devo pensare alla società.

Altri scienziati, tuttavia, sono determinati a vedere fino a che punto porta la scienza, fino alla forgiatura del primo embrione umano completo a partire dalle cellule staminali. È il caso di Ali Brivanlou, un embriologo che dirige un laboratorio alla Rockefeller University, a New York City. Il mio obiettivo è massimizzare la modellazione, in vitro, dello sviluppo umano, ha scritto Brivanlou in una e-mail. Pertanto, vorremmo essere il più precisi possibile e il più completo possibile.

Prendere forma

Le cellule staminali embrionali sono state isolate per la prima volta da embrioni IVF di riserva, vecchi di giorni, nel 1998 da scienziati del Wisconsin. All'inizio, nei suoi primi giorni, un embrione è poco più di una massa di queste identiche cellule bianche. La loro specialità: produrre qualsiasi altro tipo di cellula nel corpo. Con un occhio verso eventuali trattamenti medici, le aziende li hanno usati per produrre neuroni e cellule beta che rispondono all'insulina. Lasciati soli in un piatto, si trasformeranno spontaneamente in muscolo cardiaco e inizieranno a battere.

Gli scienziati hanno iniziato a cercare modi per convincere le cellule staminali a formare tessuti più complicati e organizzati, chiamati organoidi. Questi mini-organi non sono veri. Invece, sono molto più piccoli, delle dimensioni di granelli di sabbia, e spesso meno sofisticati. Ma possono ancora avere aspetti di base di, diciamo, le vie aeree ramificate e le ciglia ondulate di un polmone . L'anno scorso, i ricercatori hanno utilizzato organoidi cerebrali per mostrare come il virus Zika può infettare le cellule cerebrali.

Entro il 2014, tali sforzi hanno iniziato a produrre prove che le cellule staminali potrebbero, se fornite i giusti segnali, ricostruire direttamente i primi eventi in un embrione. Il laboratorio di Brivanlou ha avuto l'idea di racchiudere le cellule staminali all'interno di minuscoli punti su una superficie con micromotivi. Il contenimento delle cellule ha contribuito a portare a un effetto sorprendente. Hanno sviluppato una serie primitiva organizzata, una caratteristica di un embrione umano di due settimane quando le cellule depongono il primo accenno di un piano corporeo, decidendo quale lato è sinistro quale è giusto.

Quegli embrioni non erano naturali. Erano sottili, cresciute come un lenzuolo piatto, e le loro striature erano cerchi, non linee come in un vero embrione. Ma ha funzionato meglio di quanto pensassimo, afferma Aryeh Warmflash, un professore della Rice University che ha condotto l'esperimento mentre lavorava al Rockefeller. Quello che abbiamo sempre più capito è che le cellule sono programmate per fare un embrione. Questo è ciò che vogliono fare. Se le cellule sono nella giusta forma, alla giusta densità, e tu dai loro il segnale giusto, le cellule prendono il sopravvento da lì, parlano tra loro.

Al Michigan, Fu dice che il suo laboratorio, in collaborazione con la biologa del Michigan Deborah Gumicio, ha scoperto il proprio metodo per creare embrioni quasi per caso mentre studiava se i segnali meccanici, come la crescita di cellule in un gel morbido o appiccicoso, potessero migliorare la loro capacità di formarsi. determinati tessuti.

Un esperimento prevedeva l'incoraggiare le cellule intestinali a formare un lume o una cisti cava. Come esperimento di controllo, hanno anche coltivato cellule staminali embrionali allo stesso modo. È allora che la serendipità ha colpito, dice Fu. Le cellule staminali si sono polarizzate in sfere che avevano una somiglianza con l'inizio di una cavità amniotica. [Dopo] è stato allora che abbiamo visto tutte le affascinanti caratteristiche di auto-organizzazione, dice Fu.

Domande etiche

Ulteriori test hanno dimostrato che gli embrioni rappresentavano solo una parte dell'embrione. Sebbene avessero l'inizio di un sacco amniotico, mancavano di un intero lignaggio di cellule, chiamato trofoblasto, il cui ruolo è quello di creare la placenta. E all'interno del gruppo di cellule che costituisce un vero e proprio embrione, i ricercatori hanno rilevato solo uno dei tre tipi chiave necessari per creare un corpo completo.

Quando il team ha pubblicato i suoi risultati all'inizio di agosto, è passato per lo più inosservato. Forse perché gli scienziati hanno scelto con cura le loro parole, sforzandosi di evitare confronti con gli embrioni. Shao ha persino iniziato a usare il termine cisti asimmetrica per descrivere le entità che avevano così sorpreso il team. Dobbiamo stare attenti a usare il termine embrione umano sintetico, perché alcune persone non ne sono contente, dice Fu.

Un embrione creato da cellule staminali condivide caratteristiche chiave con un vero embrione umano, come un sacco amniotico, ma manca di altri elementi. PER CORTESIA DI YUE SHAO, UNIVERSITÀ DEL MICHIGAN

Attualmente, gli scienziati negli Stati Uniti e nel Regno Unito che lavorano con embrioni umani naturali osservano un limite al loro lavoro chiamato regola dei 14 giorni. Nessun embrione umano viene studiato oltre le due settimane, o oltre il momento in cui si forma la striscia primitiva, a seconda di quale evento si verifica per primo. Prima di allora, secondo il Rapporto Warnock del 1984 che sanciva la regola, nessuno pensava di avere alcun tipo di sensibilità e di essere incapaci di provare dolore.

Per decenni, quella regola ha offerto una linea comoda e chiara nella sabbia. E gli stessi limiti vengono applicati agli embrioni, almeno per ora. Seguendo le linee guida promulgate l'anno scorso dalla società internazionale di cellule staminali di Kimmelman, il team di Fu distrugge le cellule solo cinque giorni dopo che sono state prodotte. Ciò impedisce alle strutture di sviluppare quelle che i bioetici chiamano caratteristiche di interesse, come un sistema nervoso primitivo.

Ma gli scienziati sono pronti a sostenere che le loro strutture non sono veri e propri embrioni e che dovrebbero essere in grado di superare il limite. Alcuni esperti chiedono la fine del tutto alla regola, dicendo che è obsoleta. John Aach, uno scienziato della Harvard Medical School, pensa che saranno necessari bastoncini di misurazione etici completamente nuovi per aiutare a guidare i test degli organoidi. Ad esempio, un mini-cervello cresciuto in laboratorio potrebbe in qualche modo soffrire? E la nostra definizione di embrione può resistere all'evidenza che i laboratori possono creare nuovi tipi mai visti prima? Tutti i grandi progressi scientifici hanno un modo per esporre l'imprecisione di concetti comuni e costringere le persone a ripensarli, dice Aach.

Anche prima che il suo articolo uscisse, Shao stava abbottonando esperti di etica, tra cui Insoo Hyun, professore alla Case Western University, in una conferenza quest'anno a Boston. Hyun sentiva che il giovane ricercatore era su un terreno sicuro perché la sua struttura non conteneva ogni parte di un embrione. Penso che dovrebbero progettare esperimenti per concentrarsi su domande specifiche e non modellare tutto, dice Hyun. La mia proposta è di non fare il tutto. Una squadra può fare il motore, un'altra le ruote. Meno ambigua moralmente è la cosa che stai facendo, più è probabile che tu possa fare la tua ricerca senza ostacoli.

C'è ancora un altro motivo per essere prudenti. Gli Stati Uniti attualmente vietano i finanziamenti federali per qualsiasi studio sugli embrioni, indipendentemente da come siano realizzati, in base a una legge chiamata Emendamento Dickey-Wicker.

Sebbene gli embrioni di oggi non sembrino essere coperti dalla restrizione legale, potrebbero esserlo se gli scienziati li rendessero sufficientemente realistici. In risposta a domande scritte, l'ufficio per le politiche scientifiche del National Institutes of Health, l'agenzia di finanziamento da 33 miliardi di dollari all'anno, afferma di avere un processo interno che utilizza per analizzare le sovvenzioni e determinare se la ricerca proposta creerebbe un organismo che soddisfa la definizione legale di embrione umano.

Gli scienziati del Michigan, il cui progetto ha utilizzato i fondi di due sovvenzioni del NIH, affermano che i funzionari dell'agenzia non hanno sollevato obiezioni finora. Per ora, gli embrioni vivono e muoiono in scatole di lucite e metallo e vengono nutriti con terreno di coltura. A causa della componente ingegneristica davvero pesante di queste entità, penso che sarai in grado di sostenere che non si tratta di organismi, afferma Hyun. Anche questo è un punto che Shao ha cercato di sottolineare. Quando Shao ha presentato il lavoro del gruppo quest'anno, ha aggiunto alle sue diapositive una dichiarazione etica delineata in un riquadro giallo brillante, dicendo che gli embrioni non hanno forma o potenziale dell'organismo umano.

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Ma tali definizioni potrebbero essere un bersaglio mobile. Il punto centrale delle strutture è il modo in cui si sviluppano, sorprendente, auto-diretto, persino organismico. Robert Cork è il capo del Virtual Embryo Project, che conserva le immagini utilizzate dal team del Michigan per identificare le loro strutture. Quando gli ho chiesto del documento di Shao, Cork mi ha detto che gli embrioni potrebbero continuare a creare alcune delle parti che attualmente mancano, se gli esperimenti potessero progredire. Ciò suggerirebbe che se riescono a mantenere le cisti vitali più a lungo, potrebbero andare avanti e iniziare a svilupparsi in qualcosa di più 'simile a un embrione', afferma Cork.

Alta produttività

Jianping Fu è professore di ingegneria meccanica all'Università del Michigan. Per gentile concessione dell'Università del Michigan

Fu afferma che il passo successivo nel suo laboratorio di Ann Arbor è perfezionare le procedure per creare embrioni con caratteristiche specifiche e in numero maggiore. Inizialmente, su 100 cisti cresciute dagli scienziati del Michigan, solo cinque finivano con la forma asimmetrica che ricordava il sacco amniotico. Ma hanno già imparato a far emergere quella forma ogni volta. La produzione di embrioni diventerà programmabile e scalabile, prevede Fu.

I farmaci potrebbero essere testati sugli embrioni, ad esempio per segnalare quelli che hanno effetti tossici e causano difetti alla nascita. La speranza di Fu è che l'embriologia sintetica possa eventualmente aiutare gli ingegneri a far crescere organi umani completi. Non sto parlando di un corpo umano senza cervello. Ma quella che è una vera possibilità è che tu possa sviluppare un mini-intestino o un mini-fegato, dal momento che anche l'embrione sviluppa loro. E se hai gli organi primitivi, potrebbero diventare funzionali, prevede Fu. Il laboratorio ha iniziato a coltivare embrioni su un chip delle dimensioni di una carta di credito. In esso sono incisi sei microcanali, ognuno dei quali può ospitare 10 entità, che sono sospese in idrogel e alimentate con sostanze nutritive contenute in secchi in miniatura. Fu la chiama produzione ad alto rendimento.

In questo modo, dice, tutto può essere attivato e sotto controllo.

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