Il progetto Human Cell Development Atlas realizzerà una mappa di tutti i tipi e stati cellulari presenti nel corpo umano durante lo sviluppo: dalla fertilizzazione della cellula uovo alla nascita
Nel 1990, con il Progetto Genoma Umano l’uomo ha iniziato un lungo viaggio di esplorazione alla scoperta di se stesso. Nel 2016 ne è cominciato un altro, forse ancora più ambizioso. Il progetto Human Cell Atlas (HCA) mira a realizzare una mappa di riferimento degli oltre 37 mila miliardi di cellule che compongono il corpo umano. All’interno di questa nuova avventura scientifica è nato il programma Human Cell Development Atlas (HCDA), con un obiettivo, stavolta, addirittura titanico: ottenere una mappa di tutte le cellule nella fase più precoce dello sviluppo embrionale e fetale. La descrizione del progetto è stata riportata a settembre su Nature.
LA “BLACK BOX” DELLO SVILUPPO UMANO
Il progetto HCDA consentirebbe di studiare in maniera dettagliata il processo di organogenesi e di comprendere l'effetto delle mutazioni o dei fattori ambientali sullo sviluppo umano, le basi di alcune malattie congeniti e infantili, o anche le basi cellulari dell'invecchiamento e del cancro. Un progetto che potrebbe, inoltre, ispirare nuove strategie per la medicina rigenerativa, l’ingegneria tessutale e i modelli cellulari in 3D. La sua realizzazione, però, pone una serie di sfide, per lo più legate alla natura dinamica della gestazione: nove mesi durante i quali le cellule dell’embrione, e successivamente del feto, attraversano molteplici stati di sviluppo e migrano per raggiungere le sedi di destinazione e formare tessuti ed organi.
Lo sviluppo umano, dalla fertilizzazione della cellula uovo fino alla nascita, è sempre stata una "scatola nera". Fino a qualche anno fa, guardare dentro questa scatola era molto difficile, quasi impossibile. Gli strumenti a disposizione dei ricercatori erano pochi e gran parte delle conoscenze di biologia dello sviluppo veniva dallo studio di organismi modello, che però non riproducono l’ontogenesi umana in ogni suo aspetto. L’accesso ai campioni, inoltre, è sempre stato soggetto a restrizioni e regolamenti, spesso legati a questioni legali o etiche che variano su base geografica e culturale.
LE NUOVE TECNOLOGIE
La spinta al progetto oggi viene dalla disponibilità di nuove tecnologie che consentono finalmente di scoperchiare la scatola e iniziare a fare luce sullo sviluppo dell’embrione, a partire dalle prime settimane di gestazione e con una risoluzione di singola cellula. Le più sofisticate tecniche di genomica e di imaging hanno permesso di generare montagne di dati all’interno del progetto HCA. I ricercatori hanno individuato quali geni sono espressi in ciascun tipo cellulare e hanno ricostruito la disposizione spaziale delle singole cellule e le loro interazioni con quelle vicine.
Grazie a queste tecnologie, nel corso degli anni il progetto HCA ha dato origine a diversi programmi con focus specifici. Come ad esempio, lo Human BioMolecular Atlas Program (HuBMAP), che ha lo scopo di costruire una mappa tridimensionale delle connessioni di ciascuna cellula del corpo umano con tutte le altre circostanti, o l’Organoid Cell Atlas, un catalogo di tutti gli organoidi derivati da cellule o tessuti umani.
L’ATLANTE DELLO SVILUPPO PRENATALE UMANO
L’HDCA è l’ennesima missione esplorativa alla scoperta del corpo umano ma, stavolta, nel periodo prenatale. Il suo scopo è generare un profilo completo dei tipi e degli stati cellulari presenti durante lo sviluppo, in particolare nelle prime quattro settimane. Il progetto - coordinato dall’università di Newcastle e dal Welcomme Sanger Institute nel Regno Unito e dal National Institute for Research in Molecular Biosciences in Svezia - mira a realizzare un’ampia collaborazione internazionale e a produrre dati in formato open access. L’HDCA si avvale di un network di professionisti con specializzazioni diverse: biologia dello sviluppo, embriologia, genetica medica, patologia clinica e biologia computazionale. Attualmente sono registrati al programma 48 ricercatori di 13 Paesi diversi.
Il programma utilizzerà tecniche biomolecolari e di imaging ad alta risoluzione, che ricostruiscono per ogni singola cellula il profilo di espressione genica e molecolare, la morfologia e la funzionalità. Queste tecnologie "fotografano" lo stato attuale della cellula ma consentono anche di predire il suo futuro potenziale, ad esempio l’attivazione di un preciso programma di differenziamento. Un sistema di coordinate standard, inoltre, servirà a definire la posizione nello spazio e nel tempo di ogni cellula dell’embrione e del feto, e a monitorare processi fondamentali come la proliferazione, la differenziazione e la migrazione cellulare. Fondamentale sarà anche il contributo dei bioinformatici per raccogliere e analizzare la mole di dati generati dalle tecniche high-throughput.
LA RILEVANZA CLINICA
Secondo i ricercatori, l’HDCA rivoluzionerà la nostra conoscenza dello sviluppo umano e sarà fondamentale per il progresso della biologia e della medicina. Il primo profilo genetico e molecolare di un intero embrione potrebbe essere pronto entro i prossimi due anni. “Ci aspettiamo che questa ricerca fornisca un'ampia gamma di informazioni, inclusa la comprensione dei tumori pediatrici che hanno la loro radice nello sviluppo o dei tumori negli adulti che attivano programmi di differenziamento anomali”, sostiene Sarah Teichmann, co-presidente del Comitato Organizzatore dell’HCA e ricercatrice presso il Wellcome Sanger Institute. Le cellule tumorali, spesso, esprimono geni che si attivano soltanto durante la vita fetale e possono avere un aspetto immaturo o indifferenziato che le rende simili alle cellule dell’embrione o del feto.
L’HDCA servirà anche a studiare i più comuni disordini dello sviluppo, alla base degli aborti spontanei o di malattie genetiche o neurologiche. “Circa un terzo dei disturbi neurologici sono di origine evolutiva, inclusi autismo e schizofrenia”, ha spiegato Sten Linnarson del Karolinska Institut in Svezia. “Le anomalie cardiache dello sviluppo sono la complicanza più comune nei neonati e lo sviluppo polmonare incompleto è la causa più comune di morte nei bambini estremamente prematuri. Capire come si sviluppano questi organi ci aiuterà a fare progressi sulle patologie che colpiscono neonati e bambini”.
