Nuovi modelli in vitro per lo studio dello sviluppo embrionale partendo da cellule staminali

I modelli in vitro sono sistemi di crescita cellulare in condizioni sterili su supporti specifici in laboratorio. Le cellule vengono mantenute a temperatura e pH fisiologici, vengono fornite di ossigeno e nutrienti in modo da assicurare la loro sopravvivenza e la loro riproduzione in un ambiente controllato e più fedele possibile alle condizioni in vivo. La tradizionale coltura monostrato 2D è stata recentemente affiancata da nuovi modelli in vitro 3D che sfruttano la capacità intrinseca delle cellule di autoassemblarsi ed organizzarsi in strutture complesse e utilizzano le metodologie di coltura denominate “Scaffold Free Colture” o “Scaffold Based Colture”. Questi nuovi approcci riproducono le interazioni cellula-cellula e cellula-matrice e consentono di ricostruire in modo più preciso il microambiente cellulare e tissutale presente in vivo, fondamentale nello studio della proliferazione, differenziazione e funzionalità cellulare all’interno del tessuto. A partire dall’assemblaggio di cellule staminali embrionali (ESC) o cellule pluripotenti indotte (iPSC), si sono creati nuovi modelli sperimentali 3D in vitro che consentono lo sviluppo di embrioni di mammifero utili per lo studio degli aspetti dell’embriogenesi in modo quantitativo e specifico limitando, in parte, i problemi etici derivanti dalla manipolazione dell’embrione in utero. La mia tesi analizza questi nuovi metodi di coltura 3D delle cellule staminali, prendendo in esame lavori riguardanti lo studio dello sviluppo embrionale, con il fine di analizzare i vantaggi, i limiti e le potenzialità future di queste strutture. In particolare il mio elaborato si concentra sullo sviluppo di: 1) Blastoidi: strutture con morfologia simile alla blastocisti formate dall’associazione di ESC e cellule staminali del trofoblasto (TSC) importanti per condurre studi sull’embriogenesi precoce di mammifero; 2) Gastruloidi: modelli derivati dall’associazione di ESC, TSC e cellule staminali dell’endoderma extraembrionale (XEN) che riproducono le caratteristiche chiave dello sviluppo post-impianto come rottura della simmetria, gastrulazione e formazione del piano corporeo secondo i tre assi principali del corpo; 3) Embrioidi: strutture formate dall’associazione di ESC normali ed ESC indotte ad esprimere transitoriamente Cdx2 e Gata4 per la differenziazione in cellule rispettivamente TSC e XEN che completano correttamente la gastrulazione e risultano utili per lo studio dell’embriogenesi dallo stadio di pre-gastrulazione alle fasi tardive dell’organogenesi; 4) Organoidi: derivati da tessuto primario, ESC o iPSC per approfondire lo studio dei processi di organogenesi, omeostasi tissutale e con numerose applicazioni cliniche quali lo sviluppo di terapie personalizzate e l’utilizzo nei programmi di screening di efficienza e tossicità farmaceutica. Questi nuovi metodi, che mimano le varie fasi dello sviluppo embrionale in modo molto preciso e realistico dal punto di vista morfologico e trascrizionale, rappresentano, dunque, un nuovo approccio di studio fondamentale per la ricerca biologica di base, per lo studio dell’embriogenesi di mammifero e per lo sviluppo della medicina rigenerativa.