Un nuovo modello per comprendere le cellule immunitarie del cervello umano e i disturbi neurologici

Un nuovo modello per comprendere le cellule immunitarie del cervello umano e i disturbi neurologici

Gli scienziati del Salk stabiliscono un modello organoide per comprendere come le cellule immunitarie del cervello influenzino le condizioni cerebrali, come il disturbo dello spettro autistico e il morbo di Alzheimer

LA JOLLA—Situata all'intersezione tra il sistema immunitario umano e il cervello, la microglia è una cellula immunitaria cerebrale specializzata che svolge un ruolo cruciale nello sviluppo e nelle malattie. Sebbene l'importanza della microglia sia indiscussa, modellarla e studiarla rimane un compito arduo.

A differenza di alcune cellule umane che possono essere studiate al di fuori del corpo o in modelli non umani, la microglia umana è difficile da studiare se rimossa dall'ambiente simile al cervello umano. Per superare questa barriera, gli scienziati del Salk hanno sviluppato un modello organoide, un insieme tridimensionale di cellule che imita le caratteristiche dei tessuti umani. Questo modello consente ai ricercatori di studiare per la prima volta lo sviluppo e la funzione della microglia umana in tessuti viventi derivati dall'uomo. Inoltre, gli scienziati hanno esaminato la microglia derivata da pazienti di bambini con disturbo dello spettro autistico macrocefalico (una condizione in cui la circonferenza cranica dei neonati è superiore al 97% di quella degli altri neonati) per determinare se l'ambiente cerebrale influenzi lo sviluppo di una microglia più reattiva.

I risultati, pubblicati in Cella l'11 maggio 2023, evidenziare l'importanza dell'interazione tra cellule immunitarie e cervello e migliorare la comprensione delle malattie neurodegenerative e dello sviluppo, come i disturbi dello spettro autistico e il morbo di Alzheimer.

“Al di fuori dell’ambiente cerebrale, la microglia perde quasi ogni funzione e significato”, afferma il professor Calibro arrugginito, autore senior e titolare della cattedra Vi e John Alder per la ricerca sulle malattie neurodegenerative legate all'età. "Sapevamo che se avessimo trovato un modo per replicare l'ambiente cerebrale umano in un organoide per studiare la microglia umana, avremmo finalmente avuto uno strumento per esaminare come il cervello sano e malato influenzano la microglia e, reciprocamente, come la microglia sana e malata influenzano il cervello".

Nati circa 10 anni fa, gli organoidi sono diventati uno strumento diffuso per colmare il divario tra studi cellulari e studi sull'uomo. Gli organoidi possono imitare lo sviluppo umano e la generazione di organi meglio di altri sistemi di laboratorio, consentendo ai ricercatori di studiare come farmaci o malattie influenzano le cellule umane in un contesto più realistico. Gli organoidi cerebrali vengono tipicamente coltivati in piastre di coltura, ma sono strutturalmente e funzionalmente limitati dalla mancanza di vasi sanguigni, dal breve tempo di sopravvivenza e dall'incapacità di sostenere diversi tipi di cellule (come la microglia).

"Per creare un modello di organoide cerebrale che contenga microglia matura e ci consenta di studiarla, abbiamo utilizzato una nuova tecnica di trapianto per creare un ambiente simile al cervello umano", afferma il co-autore Abed Mansour, ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Gage e ora professore associato presso l'Università Ebraica di Gerusalemme. "Così abbiamo potuto finalmente creare un organoide cerebrale umano con tutte le caratteristiche necessarie per orchestrare la crescita, il comportamento e la funzione della microglia umana".

A differenza dei modelli precedenti, i ricercatori hanno creato un organoide cerebrale umano dotato di microglia e un ambiente simile a quello del cervello umano, che ha finalmente permesso loro di osservare le influenze ambientali sulla microglia durante lo sviluppo cerebrale. Hanno scoperto che una proteina caratteristica chiamata SALL1 compariva già a undici settimane di sviluppo e serviva a confermare l'identità della microglia e a promuoverne la funzione matura. Inoltre, hanno scoperto che fattori specifici dell'ambiente cerebrale, come le proteine TMEM119 e P2RY12, erano necessari per il funzionamento della microglia.

"Creare un modello di cervello umano in grado di replicare efficacemente l'ambiente cerebrale umano è molto entusiasmante", afferma il professore associato Axel Nimmerjahn, un altro autore dello studio. "Con questo modello, possiamo finalmente studiare come funziona la microglia umana all'interno dell'ambiente cerebrale umano."

Man mano che il team imparava di più sulla microglia, l'importanza della relazione tra l'ambiente cerebrale e la microglia diventava chiara, soprattutto in scenari di malattia. Il laboratorio precedentemente esaminato neuroni derivati da persone con disturbo dello spettro autistico e hanno scoperto che i loro neuroni crescevano più velocemente e presentavano ramificazioni più complesse rispetto alle controparti neurotipiche. Con il nuovo modello organoide, il team ha potuto chiedersi se queste differenze neuronali alterassero l'ambiente cerebrale e influenzassero lo sviluppo della microglia.

Per farlo, hanno confrontato la microglia derivata da campioni di pelle di tre individui con disturbo dello spettro autistico macrocefalo con quella di tre individui neurotipici con macrocefalia. I ricercatori hanno scoperto che gli individui con disturbo dello spettro autistico presentavano le differenze neuronali precedentemente notate dal team e che la microglia era influenzata da tali differenze nel loro ambiente di crescita. A causa di questo cambiamento ambientale neuro-dipendente, la microglia è diventata più reattiva ai danni o agli intrusi, una scoperta che potrebbe spiegare l'infiammazione cerebrale osservata in alcuni individui con disturbo dello spettro autistico.

Poiché si è trattato di uno studio preliminare con un campione di piccole dimensioni, il team prevede di esaminare in futuro altri campioni di microglia di altre persone per verificare i risultati. Intendono inoltre espandere la ricerca allo studio di altre malattie dello sviluppo e neurodegenerative per valutare come la microglia contribuisca all'insorgenza della malattia.

"Piuttosto che decostruire il cervello, abbiamo deciso di costruirlo noi stessi", afferma il co-autore Simon Schafer, ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Gage e ora professore associato presso l'Università Tecnica di Monaco. "Costruendo il nostro modello cerebrale, possiamo lavorare dal basso verso l'alto e individuare soluzioni che potrebbero essere impossibili da individuare dall'alto verso il basso. Siamo ansiosi di continuare a migliorare il nostro modello e di svelare la relazione tra cervello e sistema immunitario".

Altri autori includono Monique Pena, Saeed Ghassemzadeh, Lisa Mitchell, Amanda Mar, Daphne Quang, Sarah Stumpf e Clara Baek del Salk Institute; Johannes CM Schlachetzki, Addison J. Lana e Christopher K. Glass dell'UC San Diego; Irene Santisteban dell'Università Tecnica di Monaco; e Raghad Zaghal dell'Università Ebraica di Gerusalemme.

Il lavoro è stato supportato dai National Institutes of Health (R01 AG056306, R01 AG057706, R01 AG056511, R01 AG061060, R01 NS108034, U19 NS123719, NCI CCSG: P30 014195, NCI CCSG: P30 014195), dall'American Heart Association e dal Paul G. Allen Frontiers Group (sovvenzione 19PABHI34610000), dalla Brain and Behavior Research Foundation (27685 e 30421), dalla German Research Foundation (500300695), dalla Milky Way Research Foundation, da Annette C. Merle-Smith e dalla Robert and Mary Jane Engman Foundation, dall'European Molecular Biology Organization (ALTF 1214-2014), dall'Human Frontier Science Program (LT001074/2015), il Consiglio europeo della ricerca, la Fondazione Chapman, la Fondazione JBP e l'Helmsley Charitable Trust.

DOI: 10.1016 / j.cell.2023.04.022