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Il cervello umano, con la sua intricata architettura e la complessa composizione cellulare e molecolare, presenta sfide formidabili nella ricerca neuroscientifica, in particolare nel contesto della modellazione delle malattie e dello sviluppo della terapia cellulare1. Queste sfide sono ulteriormente complicate dalla limitata disponibilità di sofisticati modelli in vitro che rappresentano veramente la complessità del cervello umano. Tuttavia, i recenti progressi nella tecnologia delle cellule staminali pluripotenti indotte umane (iPSC), che consentono la differenziazione controllata in specifici sottotipi neuronali, hanno aperto strade promettenti per esplorare lo sviluppo del cervello umano, la patogenesi delle malattie e le strategie terapeutiche basate sulle cellule.
Tradizionalmente, le colture neuronali bidimensionali (2D) derivate da iPSC sono state la pietra angolare degli studi in vitro volti a imitare la fisiologia e la patologia neuronale umana. Queste colture monostrato sono state determinanti per migliorare la nostra comprensione delle malattie neurologiche e per la scoperta di agenti neuroprotettivi 2,3,4,5,6,7. Nonostante la loro utilità, questi sistemi 2D non riescono a emulare la vera diversità cellulare e la struttura tridimensionale (3D) del cervello umano.
L'avvento della tecnologia degli organoidi cerebrali rappresenta un salto significativo nella modellazione in vitro, fornendo uno strumento che imita da vicino l'intricata biologia del cervello umano all'interno di un quadro fisiologicamente rilevante8. Le prime tecniche nello sviluppo degli organoidi cerebrali hanno sfruttato le proprietà regolatorie intrinseche delle iPSC per formare spontaneamente derivati dell'ectoderma, imitando così le prime fasi dello sviluppo cerebrale 5,9,10,11,12. Date le complesse reti formate dai neuroni con altre cellule neuronali e non, la modellazione 3D diventa essenziale per studiare accuratamente le malattie neurodegenerative. Le colture 3D forniscono un ambiente in vivo più rappresentativo, facilitando la differenziazione neuronale accelerata e la formazione di reti 12,13,14 e promuovendo un'espressione più ampia dei geni neuronali rispetto alle colture 2D15. I neuroni sviluppati in contesti 3D raggiungono morfologie e attributi fisiologici che ricordano maggiormente le loro controparti in vivo 16.
I recenti progressi nei modelli cerebrali 3D sono stati fondamentali per catturare in modo più efficace la complessità spaziale e funzionale del cervello umano. Nell'ultimo decennio, l'avanzamento di diversi protocolli per la generazione sia di organoidi cerebrali interi che di modelli cerebrali specifici per regione 11,17,18,19,20,21,22, si è dimostrato prezioso nella modellazione di disturbi neurologici come la microcefalia11, il morbo di Alzheimer14,23 e il morbo di Parkinson24. L'obiettivo di questo protocollo è quello di sviluppare e perfezionare un metodo per la creazione di MO umani 3D derivati da iPSC umane. Questo protocollo è specificamente finalizzato alla generazione di organoidi arricchiti con neuroni dopaminergici e organizzati spazialmente in modo da imitare da vicino la struttura naturale e la funzionalità del mesencefalo umano. Lo scopo principale di questi organoidi è quello di fungere da modelli avanzati in vitro per lo studio della malattia di Parkinson, fornendo un sistema più accurato e fisiologicamente rilevante per esplorare i processi di sviluppo neurologico e le patologie associate a questa condizione. Sfruttando le iPSC derivate da pazienti per generare questi organoidi specifici del mesencefalo, il protocollo cerca di migliorare la comprensione dei meccanismi della malattia di Parkinson, facilitare la scoperta di potenziali bersagli terapeutici e migliorare lo sviluppo di terapie cellulari. Attraverso questo approccio innovativo, il protocollo mira a superare i limiti delle tradizionali colture neuronali 2D e a contribuire in modo significativo al campo della ricerca sulle malattie neurodegenerative, offrendo un potente strumento per la modellazione in vitro delle malattie e l'esplorazione di nuove strategie di trattamento.
Negli ultimi 10 anni, vari gruppi di ricerca hanno sviluppato organoidi mesencefalici (MO)8,21,25,26,27,28, utilizzando metodologie che mostrano diverse somiglianze chiave. Nella nostra ricerca per approfondire la comprensione della malattia di Parkinson, abbiamo sviluppato un protocollo per la creazione di MO umani 3D derivati da iPSC umane. Questi organoidi, arricchiti con neuroni dopaminergici disposti spazialmente, rappresentano un modello ideale per lo studio della malattia di Parkinson. Il nostro sviluppo e perfezionamento di protocolli di organoidi specifici per il mesencefalo ha prodotto modelli in vitro avanzati che hanno contribuito in modo significativo alla nostra comprensione dei processi di sviluppo neurologico e delle malattie neurodegenerative. Questi modelli, in particolare se applicati a MO derivati da pazienti, hanno dimostrato la loro efficacia come potenti strumenti per la modellazione in vitro delle malattie, offrendo nuove prospettive e metodologie nel campo della coltura cellulare 3D avanzata.