2.10: Introduzione all'organogenesi

Gli scienziati nel campo dell'organogenesi studiano lo sviluppo di organi con forme e funzioni altamente specializzate.

Gli organi sorgono relativamente tardi durante lo sviluppo, dopo che le cellule embrionali si sono organizzate in tre strati cellulari distinti noti come strati germinali. Considerando come si formano gli organi, i ricercatori possono capire meglio come funzionano i singoli organi e creare terapie che correggeranno le malattie umane legate all'insufficienza d'organo.

Questo video presenta una breve storia della ricerca sull'organogenesi, introduce le domande chiave poste dagli embriologi che studiano la formazione degli organi, descrive alcuni strumenti disponibili per rispondere a tali domande e infine discute gli attuali esperimenti condotti sul campo.

Iniziamo passando in rassegna alcuni studi fondamentali nella storia della ricerca sull'organogenesi.

Negli anni '20 dell'Ottocento, Karl von Baer e Christian Heinrich Pander descrissero la teoria dello sviluppo dello strato germinale. Sulla base del modello del pulcino, von Baer e Pander hanno proposto che tutti gli embrioni di vertebrati siano composti da tre distinti strati di cellule primarie, che insieme danno origine a tutti gli organi adulti. L'endoderma dà origine a tessuti profondi come il rivestimento dell'intestino e delle vie respiratorie, il mesoderma forma i tessuti intermedi tra cui muscoli e sangue e l'ectoderma genera tessuti più superficiali come la pelle e i nervi.

Sessant'anni dopo, nel 1885, Wilhelm His pubblicò il primo atlante di embrioni umani ricostruiti da sezioni microscopiche. Questa raccolta ha fornito una delle prime descrizioni dettagliate dell'organogenesi e ha ipotizzato come vari gruppi di cellule si organizzino per formare organi come il cuore, gli occhi e il cervello.

Nel 1924, gli embriologi Hans Spemann e Hilde Mangold adottarono un approccio più sperimentale allo studio dell'organogenesi: eseguirono trapianti di tessuto negli anfibi per studiare una regione dell'embrione in via di sviluppo ora nota come organizzatore di Spemann. Il trapianto dell'organizer da un embrione all'altro ha indotto la formazione di tessuti neurali secondari. Questo cambiamento nel modello di sviluppo dovuto alle interazioni cellulari è diventato noto come "induzione" ed è un primo passo fondamentale nella formazione di molti organi.

Nei decenni successivi a questa importante scoperta, i progressi della microscopia e della biologia molecolare hanno fatto sì che gli embrioni potessero ora essere studiati a livello cellulare e molecolare. Negli anni '40, Salome Gluecksohn-Waelsch usò il topo come modello per capire che geni specifici potevano regolare lo sviluppo degli organi. Ha dimostrato che i topi con mutazioni nel gene T-locus mancavano di strutture importanti nel sistema nervoso in via di sviluppo, come la notocorda.

Questo lavoro ha spianato la strada a W. T. Green per studiare la generazione di tessuti in vitro durante gli anni '70 impiantando cellule cartilaginee sane coltivate in laboratorio in topi nudi. Anche se senza successo, nel 1981 le scoperte di Green aiutarono i ricercatori, come Ioannis Yannas e Eugene Bell, a reintrodurre tessuti cresciuti in vitro negli animali vivi.

Ora che abbiamo esaminato alcuni punti salienti storici, esaminiamo alcune domande fondamentali che il campo dell'organogenesi deve affrontare oggi.

Inizieremo con la domanda forse più ampia che gli embriologi si pongono: come si trasformano gruppi di cellule in organi altamente strutturati? Per le risposte, i ricercatori si concentrano spesso su eventi morfologici definiti, come la ramificazione di tubi semplici in reti tubolari complesse. I meccanismi che controllano questi processi in un tessuto possono essere simili a quelli utilizzati in altri tessuti con strutture analoghe, il che fornisce ai ricercatori indizi su come progettare i loro esperimenti.

Gli embriologi sono anche interessati a come geni specifici dirigono l'organogenesi. Alcuni si concentrano sui singoli geni e su come i loro prodotti funzionano per controllare le dimensioni e la forma delle cellule, nonché su come le cellule generano e rispondono ai segnali per formare un organo funzionante.

Altri studiano i meccanismi che determinano quando e dove i geni vengono espressi. I fattori di trascrizione, ad esempio, sono proteine che si legano a specifiche sequenze di DNA per controllare l'espressione dei geni vicini. Regolando simultaneamente interi insiemi di geni che definiscono ogni particolare identità cellulare, un numero relativamente piccolo di fattori di trascrizione può dirigere la formazione di interi organi.

Poiché le cellule sono anche sensibili ai segnali meccanici, molti scienziati esplorano come le forze fisiche guidano l'organogenesi. Alcuni osservano come la forza generata dai fluidi che scorrono sulle superfici cellulari, nota come sforzo di taglio, influenzi la differenziazione cellulare. Altri considerano come la tensione dei tessuti promuova le connessioni tra le cellule, che sono importanti per l'integrità di tessuti come muscoli e ossa.

Infine, poiché non ci sono abbastanza organi umani sani disponibili per soddisfare la necessità di trapianti, gli scienziati stanno escogitando nuovi modi per ingegnerizzare gli organi in laboratorio. I loro obiettivi primari includono la creazione di scaffold, o strutture artificiali in grado di sostenere tessuti tridimensionali, e l'ottimizzazione delle condizioni per la crescita degli organi. Le cellule utilizzate per costruire un organo, ad esempio, devono essere in grado di espandere rapidamente la loro popolazione rimanendo geneticamente stabili. Quando le cellule vengono assemblate con successo in tessuti, garantire che l'organo sviluppi un afflusso di sangue funzionale è un'ulteriore sfida.

Ora che hai un'idea di alcune domande chiave sollevate dagli embriologi, diamo un'occhiata ad alcuni strumenti di ricerca che usano per trovare le risposte.

Varie tecniche di imaging vengono utilizzate per osservare le cellule che si assemblano in organi più complessi. La mappatura del destino è un approccio che si basa molto sull'imaging, poiché comporta il monitoraggio di singole cellule e della loro progenie durante lo sviluppo. Per creare mappe del destino, gli scienziati possono monitorare le cellule di interesse etichettandole con peptidi fluorescenti.

L'imaging è necessario anche negli esperimenti di innesto e trapianto di cellule. Qui, le cellule vengono trapiantate tra due organismi, un donatore e un ospite, e i marcatori specifici dell'organismo vengono quindi utilizzati per determinare in che modo l'identità e il posizionamento delle cellule trapiantate determinano il loro contributo allo sviluppo degli organi.

Per esaminare il controllo genetico dello sviluppo degli organi, gli scienziati hanno una serie di strategie per manipolare l'espressione genica nei tessuti in via di sviluppo. Utilizzando la tecnologia transgenica, ad esempio, i genomi animali possono essere modificati per aumentare o diminuire l'espressione di geni specifici nell'intero animale o in tessuti selezionati. Per un approccio più semplice alla manipolazione genetica, tecniche come la trasduzione virale sono spesso utilizzate per fornire rapidamente l'espressione genica o il silenziamento di costrutti in popolazioni più piccole di cellule.

Per studiare il ruolo delle forze meccaniche durante lo sviluppo, gli scienziati si rivolgono spesso a sistemi di coltura in vitro che imitano la fisiologia in vivo. Ad esempio, le cellule coltivate su substrati flessibili possono essere allungate man mano che crescono. Le cellule sono anche spesso coltivate in camere microfluidiche specializzate per imitare lo stress di taglio. L'immunofluorescenza e altri metodi di microscopia vengono quindi utilizzati per osservare come vengono influenzati lo sviluppo dei tessuti e i contatti cellulari.

L'ingegneria tissutale è una tecnica incentrata sulla traduzione delle conoscenze sulla formazione degli organi in terapie cliniche e prevede la coltura di cellule sane su scaffold biologici. Gli scaffold possono essere costruiti rimuovendo materiali cellulari dai tessuti utilizzando detergenti, sali ed enzimi e quindi ripopolando il tessuto di interesse con cellule staminali. In alternativa, gli scaffold possono essere creati da polimeri biodegradabili utilizzando la carica elettrica. Indipendentemente da come sono realizzati, gli scaffold vengono seminati con cellule e coltivati in condizioni controllate in configurazioni specializzate note come bioreattori.

Ora che hai familiarità con alcuni approcci comuni allo studio dell'organogenesi, diamo un'occhiata a come vengono applicati questi metodi.

Gli organismi che contengono cellule di più di un genoma, noti come chimere embrionali, sono strumenti utili per tracciare i movimenti cellulari. In questo esperimento, le chimere di zebrafish sono state realizzate trapiantando cellule di donatori marcate in fluorescenza su embrioni ospiti non marcati. Questi trapianti sono stati utilizzati per studiare il ruolo della migrazione e della determinazione del destino cellulare nello sviluppo di strutture embrionali come il muscolo e il cervello.

Per comprendere i ruoli che geni specifici svolgono nello sviluppo degli organi, gli scienziati alterano l'espressione genica. In questo esperimento, oligonucleotidi antisenso gene-specifici, noti come morfolini, sono stati iniettati per la prima volta in uova fecondate di zebrafish. Successivamente, i cuori in via di sviluppo sono stati analizzati utilizzando un marcatore fluorescente espresso selettivamente nel muscolo cardiaco. Qui, il knockdown combinato di due geni ha completamente bloccato lo sviluppo del cuore.

L'ingegneria tissutale consente agli scienziati di studiare le interazioni tra diversi tipi di cellule e di colmare il divario tra gli studi in vitro e quelli in vivo. In questo esperimento, le ricostruzioni della pelle umana sono state generate in laboratorio. Per osservare lo sviluppo della pelle e la progressione del cancro, la migrazione delle cellule staminali cutanee è stata monitorata utilizzando proteine marcate in fluorescenza. Le ricostruzioni cutanee sono state quindi innestate su topi per studiare il destino e la fisiologia delle cellule della pelle in un sistema vivente.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'organogenesi. In questo video, abbiamo esaminato la storia della ricerca sull'organogenesi e introdotto le domande chiave poste dagli embriologi. Abbiamo anche esplorato importanti strategie di ricerca nel campo e discusso alcune delle loro attuali applicazioni. Grazie per l'attenzione!