I Primi 21 Giorni

Rischi e misteri del primo sviluppo embrionale
di Sally Pobojewski

Uno dei più grandi misteri della vita, la creazione di un nuovo essere umano, inizia con l'unione di ovulo e spermatozoo e finisce, nove mesi dopo, con un bambino. Si tratta di un processo così intricato e intrinsecamente rischioso, con insidie ad ogni fase, da far risultare incredibile la nostra sopravvivenza fino alla nascita. Infatti, gli scienziati stimano che circa metà di tutti gli embrioni umani muoiano durante i primi due mesi di gravidanza, quando qualcosa va storto in quelle critiche fasi iniziali di sviluppo. Servono due mesi per la formazione dell'embrione umano, un processo che gli scienziati chiamano embriogenesi. Dopo otto settimane, l'embrione possiede tutti gli organi e i tessuti di un neonato, anche se molti si trovano in forma primitiva. Durante gli ultimi sette mesi di gravidanza, il feto (non più chiamato embrione) continua a crescere e sviluppare, ma il modello fondamentale del bambino viene stabilito durante l'embriogenesi. Molti dei più importanti e meno compresi passaggi dello sviluppo embrionale umano, vengono fatti durante durante i primi 21 giorni di gravidanza, prima che la madre sappia di essere incinta e quando l'embrione è ancora incredibilmente piccolo. Dopo 21 giorni, l'embrione umano è meno di due millimetri in lunghezza o circa la dimensione del cerchio alla fine di questa frase. Persino a 21 giorni, l'embrione è molto più che una semplice sfera di cellule primitive. Il suo sesso e la sua forma corporea di base, sopra e sotto, davanti e dietro, sinistra e destra, sono già aspetti stabiliti, così come il futuro sviluppo di ogni sua cellula. E' un viaggio incredibile. E tutto inizia con una singola cellula.

Giorno 1 – Fecondazione
All'inizio è l'ovulo

Nella tuba di falloppio, un uovo maturo attende in uno stato di sviluppo bloccato. Appena rilasciato dall'ovaio, è la cellula più grande nel corpo umano. L'uovo è ricco di nutrienti, fattori di crescita, enzimi e proteine, quasi tutto il necessario per dare inizio allo sviluppo di un embrione umano. Manca solo una piccola cosa, serve lo spermatozoo. Se uno spermatozoo non penetra la resistente membrana dell'ovulo per attivarlo entro 24 ore, l'ovulo morirà. Durante la fecondazione e nel primo stadio dello sviluppo embrionale, l'ovulo guida lo show. Tutto ciò che serve all'ovulo umano maturo, da parte dello spermatozoo, è il suo DNA, il codice genetico conservato in 23 cromosomi ereditati dal padre. Quando combinati con i 23 cromosomi della madre, il nuovo embrione avrà tutto il materiale genetico richiesto per creare un essere umano. Molto di quanto gli scienziati sanno della fecondazione e di cosa avvenga durante i primi giorni dello sviluppo di un embrione, viene dalla ricerca fatta per aiutare il 10-15% delle coppie che necessitano di assistenza medica per avere un figlio. Molte di queste coppie passano alla fecondazione in-vitro (IVF) o ad altre tecnologie di riproduzione assistita. Nel 2004, 49458 bambini sono nati negli USA da embrioni creati da sperma e ovuli in una piastra di Petri, invece che all'interno del corpo di una donna.

Gary Smith, Ph.D., è professore associato di ostetricia/ginecologia, urologia e di fisiologia molecolare e integrativa. Gary studia embrioni di topo, mucca e umani per apprendere cosa avviene durante i primissimi giorni di sviluppo. Nonostante tutto avvenga più rapidamente nei topi rispetto agli umani, i passi del processo sono essenzialmente gli stessi. Studiare cosa avviene negli embrioni all'esterno del corpo, non è ideale, date le grandi differenze tra lo sviluppo in una piastra di coltura e lo sviluppo in un animale vivente. Nel corpo gli embrioni crescono nell'umido e confinato ambiente della tuba di falloppio, dove sono in costante contatto con le proteine, i nutrienti e altre cellule. Invece in laboratorio, molti embrioni iniziano fluttuando in un mezzo di coltura nella piastra di Petri, una situazione simile a quella di “una persona che fluttua nel Lago Michigan”, dice Smith.

Per simulare le condizioni della tuba di falloppio, dove la fecondazione e i primi stadi di sviluppo avvengono, Smith ha lavorato con Shuichi Takayama, Ph.D., professore associato al College of Engineering, per sviluppare un dispositivo grande come mezza carta di credito, che rende possibile osservare un embrione e monitorare i suoi segnali biologici durante i primi giorni di sviluppo. Entro i ristretti confini di piccoli canali nel microchip, gli scienziati possono tenere l'embrione in movimento, mantenere il flusso di nutrienti freschi e rimuovere i prodotti di scarto. Smith la chiama coltura dinamica, opposta alla coltura statica correntemente usata per far crescere gli embrioni in una piastra di Petri. Usando un sistema di coltura dinamica che simula condizioni naturali, Smith e Takayama hanno scoperto che si ottengono embrioni di topo e mucca più sani, più simili a quelli che crescono nel corpo dell'animale. L'obiettivo di Smith è apprendere i segreti che il corpo sfrutta per far crescere embrioni sani e usare questa conoscenza per aiutare le coppie meno fertili ad avere un figlio sano.
Giorni 2-3 – Attivazione dei geni dell'embrione

Nel corpo della madre, un ovulo fertilizzato si muove attraverso la tuba di falloppio, spinto verso l'utero da filamenti interni alla tuba. Ancora dipendente dai nutrienti e dalle istruzioni genetiche fornite dall'ovulo, l'embrione si suddivide per formare due cellule, quindi quattro cellule e poi otto. Allo stadio di otto cellule, grazie ad un processo che gli scienziati ancora non comprendono, l'embrione in qualche modo attiva i propri geni. Da questo punto in avanti, l'embrione segue il proprio destino genetico. Se qualcosa interferisce con l'attivazione dei geni, l'embrione morirà. Nel linguaggio della biologia riproduttiva, è detta competenza di sviluppo embrionale ed è un punto critico dove spesso lo sviluppo si ferma per ragioni che gli scienziati non comprendono.

“Alcuni ovuli hanno quanto serve per supportare lo sviluppo embrionale oltre lo stadio di otto cellule e altri no”, spiega Smith. “Molti ovuli si feconderanno e l'embrione inizierà a suddividersi normalmente, ma quando arrivano allo stadio di otto cellule, il sistema a volte si interrompe e lo sviluppo non si conclude”. In termini esatti, cosa debba avere l'ovulo per l'attivazione dei geni dell'embrione e come dire quale ovulo abbia i requisiti, sono due delle domande più importanti di oggi nella biologia dello sviluppo, secondo Smith. “Sappiamo che questo punto dello sviluppo è molto importante per la sopravvivenza dell'embrione e che l'attivazione dei geni è regolata da fattori materni o derivanti dall'ovulo, ma non capiamo come avvenga la trasformazione”, dice Smith.

Smith crede che i fattori responsabili per l'attivazione del genoma dell'embrione siano programmati nell'ovulo mentre sviluppa nei compartimenti dell'ovaio, detti follicoli. Servono diverse centinaia di giorni perchè un follicolo produca un ovulo maturo. Prima di ogni ciclo mestruale, numerosi follicoli iniziano a crescere, ma alla fine, solo uno tipicamente produce un ovulo innescato e pronto alla fecondazione. “La natura ha sviluppato questo percorso per fornire la competenza embrionale”, dice Smith. “E' ingenuo pensare di poter andare semplicemente (nell'ovaio) a prendere gli ovuli. Possono sembrare tutti uguali a livello microscopico, ma sappiamo che non tutti gli ovuli sono creati uguali”.

Quando gli embrioni fecondati in una piastra di Petri, arrivano allo stadio di otto cellule, ne vengono scelti uno o più da trasferire all'utero della madre. Sfortunatamente, solo il 20% di quelli trasferiti si impianteranno con successo nelle pareti dell'utero e continueranno a svilupparsi, secondo Smith. I test o saggi biologici per determinare in anticipo quali ovuli siano in grado di attivare il genoma dell'embrione e quali embrioni abbiano il potenziale maggiore di impianto, sarebbero un grande passo avanti per incrementare le possibilità di una gravidanza IVF. “Oggi tutto quello che possiamo fare è osservare gli embrioni al microscopio e prelevare quelli più belli, col numero di cellule più appropriato nel tempo”, dice Smith. “Uno degli obiettivi della nostra ricerca è sviluppare un sistema di coltura e analisi che ci permetterà di produrre gli embrioni più sani e selezionare l'embrione con la miglior possibilità di impianto”.

Giorni da 3 a 5 – Blastocisti
Le cellule fanno la prima scelta

Entro il periodo in cui un embrione umano di tre giorni entra nell'utero, contiene 16 cellule identiche che formano assieme una sfera detta morula. Nel trasferirsi dentro l'utero, l'embrione si prepara per una grande trasformazione. Durante le seguenti 48 ore, la morula diverrà una blastocisti, un ovale vuoto con circa 100 cellule di due tipi diversi. Le cellule che formeranno la placenta compongono lo strato esterno della blastocisti. All'interno si troverà una piccola massa di circa 50 cellule. Queste 50 cellule faranno nascere milioni di cellule specializzate, tessuti e organi per creare il neonato.

Gli scienziati chiamano pluripotenti le cellule interne, nel senso che possono trasformarsi in quasi ogni tipo di cellula del corpo umano. Quest potenziale illimitato dura solo pochi giorni. Se le cellule pluripotenti vengono rimosse dalla blastocisti e coltivate in laboratorio nelle giuste condizioni, formano colonie di cellule staminali embrionali. Altrimenti diverranno rapidamente cellule specializzate per la crescita e i cambiamenti dell'embrione. Sue O'Shea, Ph.D., un professore di biologia cellulare e dello sviluppo, che dirige il Michigan Center for Human Embryonic Stem Cell Research, sta cercando di decifrare il fiume di segnali genetici coinvolti nella trasformazione delle cellule embrionali in cellule differenziate o specializzate per compiti specifici.

Lavorando con embrioni di topo, cellule staminali di topo e linee di staminali di embrione umano, approvate dal governo federale per l'uso nella ricerca scientifica, O'Shea e i suoi studenti laureati Nicky Slawney e Lisa DeBoer, stanno identificando i geni e i fattori di crescita coinvolti, per capire come funzionano. O'Shea è particolarmente interessato ai segnali richiesti per la trasformazione delle cellule staminali embrionali umane e le cellule nell'embrione precoce, in neuroni, una delle prime cellule specializzate che si sviluppano.

Settimana 2 – Impianto
A casa nelle pareti uterine

Quando l'embrione umano è arrivato a sei giorni, inizia a creare un nido nelle pareti dell'utero materno. Le cellule nello strato esterno della blastocisti si attaccano alla parete dell'utero e fanno crescere lunghe proiezioni in esso, il primo passo dello sviluppo della placenta con i vasi sanguigni che legano madre ed embrione. Da questo momento l'embrione dipenderà dall'ossigeno e dai nutrienti del flusso sanguigno materno. Mentre la placenta cresce e si incorpora nelle pareti dell'utero, la massa di cellule interna si divide per formare la cavità amniotica e un disco piatto con due strati di cellule che è l'embrione.

Una volta che l'embrione è posizionato fra le pareti dell'utero, inizia a prepararsi per una trasformazione detta gastrulazione che avviene nella terza settimana di sviluppo. Durante questo processo, ogni cellula nel disco piatto migrerà in un nuovo punto e si muterà in uno di tre nuovi tipi di cellule per formare lo strato interno, medio ed esterno dell'embrione di 21 giorni. Questa coreografia cellulare intricata è regolata dai fattori di crescita attivati e disattivati in momenti e luoghi specifici, in risposta ai segnali dei geni embrionali. “L'embrione usa gli stessi sette fattori di crescita che segnalano i percorsi, di continuo”, dice O'Shea. “Variando la forza del segnale, attivando e disattivando i recettori cellulari o i fattori di crescita in punti specifici dell'embrione, il processo permette grande precisione e complessità”.

Settimana 3 – Gastrulazione
Durante la terza settimana, l'embrione umano passa attraverso una pietra miliare dello sviluppo. La gastrulazione stabilisce lo schema corporeo di base e fissa il destino delle sue cellule. Una volta completato il processo, l'embrione avrà tre strati distinti con un definito sopra e sotto, davanti e dietro e sinistra/destra. Una trasformazione radicale senza paragoni nelle fasi di sviluppo. La gastrulazione inizia con una rientranza chiamata stria primitiva, che si forma sopra il disco piatto, quando l'embrione ha circa 15 giorni. Sopra la stria si forma una piccola struttura detta nodo che sforna i fattori di crescita che segnalano alle cellule di separarsi dalle vicine, moltiplicarsi e muoversi verso la stria.

Le cellule nell'embrione in questa fase, sono molto sensibili alla forza dei fattori di crescita del nodo. Le cellule embrionali più vicine al nodo ricevono il segnale più forte, che le induce ad attivare i geni che le fanno specializzare. Le cellule al bordo dell'embrione ricevono un segnale meno forte e questo le fa esprimere diversi geni e divenire un diverso tipo di cellula. “Solo essere ad un paio di diametri di cellula a distanza, può significare una grande differenza nell'espressione genetica”, dice O'Shea. Dirette dal nodo, le cellule si muovono verso il basso e attraverso la stria, per rinascere dall'altra parte come endoderma (strato interno dell'embrione) o mesoderma (strato medio). Una volta pronti i due strati interni, il nodo invia un segnale diverso alle cellule rimanenti. Invece di passare attraverso la stria, queste cellule formeranno lo strato esterno dell'embrione detto ectoderma.

Una volta passate attraverso la stria primitiva e completata la gastrulazione, non c'è via di ritorno. Ogni cellula embrionale ora è destinata a seguire uno specifico percorso di sviluppo. Le cellule dell'endoderma formeranno il fegato, il pancreas e il tratto gastrointestinale. Le cellule nel mesoderma sono destinate a divenire cellule del cuore e dei vasi sanguigni, delle ossa, dei muscoli e dei reni. L'ectoderma diverrà sistema nervoso centrale e periferico, organi sensoriali, pelle e capelli. Dato che il modello di tutti gli organi viene stabilito durante la gastrulazione, è il momento in cui l'esposizione ad alcol, droghe, virus e chimica tossica, può avere effetti catastrofici sull'embrione. Dalla terza all'ottava settimana, mentre gli organi sono in formazione, l'embrione sarà vulnerabile al danno. Persino se non letale, il risultato può significare una vita di disabilità per un bambino nato con sindrome alcolica fetale o della spina bifida. Sapere di più su ciò che accade a un embrione umano durante il suo pericoloso viaggio dalla fecondazione alla gastrulazione, può aiutare i ricercatori ad apprendere le cause dei difetti di nascita e forse persino a trovare modi per prevenirli o correggerli.

La ricerca per comprendere come si sviluppa l'embrione, potrebbe beneficiare anche alla salute degli adulti. Gli scienziati stanno solo iniziando a comprendere come gli errori durante l'embriogenesi possano avere conseguenze per tutta la vita, nella forma di malattie e disordini come il cancro, i difetti cardiaci congeniti e la sindrome di Down, che inizia quando qualcosa va storto durante i primi 21 giorni dell'embrione.

Tradotto da Richard per Altrogiornale.org

Immagine: L'embrione si suddivide per formare altre cellule. Crediti – Yorgos Nikas
Fonte: http://www.medicineatmichigan.org/magazine/2008/spring/21days/