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Le 10 cose affascinanti sviluppate in un laboratorio
Non c'è dubbio che la scienza ha fatto incredibili scoperte negli ultimi 100 anni. Questo è particolarmente vero in medicina e ingegneria biologica. Dai vaccini salvavita agli interventi chirurgici rivoluzionari, la scienza ha notevolmente migliorato la nostra qualità della vita.
Il progresso richiede ai ricercatori di innovare nuove soluzioni a problemi secolari. Dietro ogni scoperta medica, c'è un laboratorio pieno di idee affascinanti. A volte, questi esperimenti sollevano questioni etiche. Ma soprattutto, sono approcci interessanti a problemi fastidiosi.
E quale soluzione è più creativa di far crescere qualcosa in un laboratorio da zero? Ecco 10 affascinanti oggetti sviluppati in laboratorio che potremmo non aspettarci.
10 maiali
Nel 2016, i ricercatori negli Stati Uniti hanno impiantato con successo le ossa ingegnerizzate in laboratorio in 14 maialini Yucatan adulti. Nessuno dei maiali ha respinto i nuovi organi dopo l'intervento chirurgico. Piuttosto il contrario. I vasi sanguigni all'interno delle ossa cresciute in laboratorio si integrarono perfettamente nei sistemi circolatori preesistenti dei maiali.
Com'era possibile tutto questo?
Per avviare il processo, gli scienziati hanno scannerizzato le mascelle dei maiali e hanno mappato le loro strutture. Hanno quindi creato impalcature compatibili senza cellula con ossa di mucca. Queste strutture sono state iniettate con le cellule staminali dei maiali e immerse in una soluzione ricca di sostanze nutritive. Il risultato era un osso vivente perfettamente funzionante.
9 Ratto
I ricercatori del Massachusetts General Hospital hanno fatto notizia nel 2015 quando hanno coltivato un'intera zampa di ratto nel loro laboratorio. È stato il primo progetto di successo del suo genere al mondo.
Lo sforzo è stato guidato dal Dr. Harold Ott, che dirige anche il Laboratorio Ott per la progettazione e la rigenerazione di organi. Il loro esperimento ha anche portato a lavorare il tessuto muscolare dopo solo 16 giorni.
Ecco come l'hanno fatto:
Il dottor Ott e il suo team hanno preso un arto di topo vivo e rimosso tutte le sue cellule. Questo processo è chiamato decellularizzazione. Una volta rimosse tutte le cellule viventi, agli scienziati è stata lasciata una struttura proteica per l'arto.
Hanno quindi iniettato questa struttura con cellule vive che hanno formato tessuto muscolare e cellule del sangue nel giro di poche settimane. Per testare la funzionalità dell'arto cresciuto in laboratorio, il team ha applicato piccole cariche elettriche al tessuto muscolare.
Il risultato? I muscoli dell'arto si contraggono esattamente come gli organi cresciuti naturalmente.
8 hamburger
Soprannominato "schmeat", il primo hamburger al mondo cresciuto in laboratorio ha debuttato a Londra nel 2013. È stato creato nei Paesi Bassi dal Dr. Mark Post, un professore di fisiologia vascolare. Il suo obiettivo era quello di produrre carne che non causasse "indebita sofferenza animale e danni ambientali" come fanno le tradizionali fonti di carne. Il progetto ha richiesto cinque anni e $ 325.000 da completare.
Dopo il suo successo, Post ha continuato a fondare Mosa Meats. Anche altre aziende hanno colto l'occasione di produrre carne di produzione propria. Memphis Meats, una start-up a San Francisco, ha creato polpette di carne cresciute in laboratorio nel 2016. Hanno anche coltivato strisce di pollo, una novità mondiale.
Tuttavia, questi non sono stati valutati per essere disponibili al pubblico fino al 2021. Un'altra società californiana, Hampton Creek, ha svelato i piani per ottenere carne prodotta in laboratorio sugli scaffali dei negozi entro il 2018.
7 Embrione di maiale umano
In Spagna e La Jolla, in California, un gruppo di scienziati del Salk Institute ha coltivato con successo cellule umane all'interno di un embrione di maiale. L'obiettivo della ricerca è di coltivare infine interi organi umani, che verranno utilizzati per i trapianti, all'interno di altri animali. Gli scienziati di Salk hanno già coltivato diversi organi di ratto all'interno di embrioni di topo. Ma questa ricerca ha sollevato alcune questioni etiche.
Nel 2015, gli Stati Uniti hanno smesso di finanziare la ricerca sulle chimere interspecie con i dollari dei contribuenti. Nella genetica, una chimera è un fenomeno naturale in cui un singolo organismo ha due o più insiemi diversi di DNA.
Ma una chimera interspecifica contiene il DNA di due o più specie. Ciò ha sollevato preoccupazioni sul fatto che i maiali o altri animali impiantati con cellule umane svilupperanno funzioni del cervello umano.
Juan Carlos Izpisua Belmonte e il suo team hanno dichiarato che mirano "a testare modi per concentrare le cellule umane sulla produzione di tessuti specifici evitando qualsiasi contributo al cervello, sperma o uova".
6 sperma del mouse
Nel 2016, gli scienziati dell'Istituto di zoologia dell'Accademia cinese delle scienze hanno prodotto lo spermatozoo vitale dei topi dalle cellule staminali. Per fare questo, hanno estratto le cellule staminali dai topi e le hanno introdotte nelle cellule testicolari da topi appena nati.
Qi Zhou e Xiao-Yang Zhao, che ha condotto l'esperimento, hanno anche esposto le cellule staminali a diverse sostanze chimiche coinvolte nello sviluppo dello sperma. Questo include il testosterone, un ormone per indurre la crescita del follicolo e un ormone che induce la crescita dalla ghiandola pituitaria.
In circa due settimane, gli scienziati hanno sviluppato cellule spermatiche completamente funzionali. Hanno impiantato lo sperma in uova vitali e trasferito gli zigoti ai topi femmina.
Nove cuccioli di topo sono nati da questo esperimento, alcuni dei quali in seguito riprodotti da soli. Sebbene non sia ancora efficiente come l'inseminazione artificiale con sperma naturale (percentuale di successo del 3% rispetto al 9%), questa ricerca è promettente per i futuri trattamenti di fertilità.
5 cellule staminali del sangue
Due distinte squadre di scienziati hanno sviluppato nuovi approcci per la creazione di cellule staminali del sangue. Una squadra, con sede al Boston Children's Hospital, era guidata da George Daley. Questo gruppo è iniziato con cellule umane della pelle e le ha "riprogrammate" per diventare cellule iPS (staminali pluripotenti indotte). Una cellula iPS è una cellula staminale universale creata artificialmente.
Il team di Daley ha quindi iniettato le cellule iPS con fattori di trascrizione, che sono geni progettati per controllare altri geni. Successivamente, le cellule iPS modificate sono state impiantate nei topi per lo sviluppo. (Se stai tenendo traccia, questo rende quei topi le interepecie chimere.)
Dopo 12 settimane, questi ricercatori hanno creato qualcosa che era semplicemente un precursore delle cellule staminali del sangue. Ma la seconda squadra è andata ancora meglio.
Nel Weill Cornell Medical College, Shahin Rafii e il suo team hanno saltato la creazione di iPS. Invece, hanno preso le cellule dai vasi sanguigni nei topi adulti e le hanno iniettate con quattro fattori di trascrizione. Quindi hanno spostato le cellule in piastre di Petri che sono state attrezzate per ricreare l'ambiente all'interno di un vaso sanguigno umano.
Queste cellule trasformate in cellule staminali del sangue. Le cellule staminali di questo esperimento erano così potenti che hanno completamente guarito un gruppo di topi che soffrivano di un basso numero di globuli rossi dovuto a trattamenti con radiazioni.
4 orecchie di Apple
Nel 2016, il biofisico canadese Andrew Pelling e il suo team dell'Università di Ottawa hanno coltivato con successo il tessuto umano usando le mele. Usando una tecnica di decellularizzazione per rimuovere le cellule esistenti dalla mela, sono state lasciate con "l'impalcatura" della cellulosa della mela. A proposito, quella cellulosa è ciò che dà alle mele il loro soddisfacente crunch.
Pelling e il suo team hanno tagliato un pezzo di mela senza cellula a forma di orecchio e l'hanno iniettato con cellule umane. Le cellule hanno popolato la struttura e creato un padiglione auricolare (la parte esterna dell'orecchio).
La motivazione per l'esperimento era di creare impianti più economici. Secondo Pelling, il suo materiale coltivato in laboratorio è anche meno problematico rispetto ai materiali biologici convenzionali usati per gli impianti, che spesso provengono da animali o da corpi morti.
Questa tecnica non è limitata alle mele. Ha anche cercato di replicare le sue scoperte in petali di fiori, asparagi e altre verdure.
3 pene di coniglio
Nel 2008, il dott. Anthony Atala dell'Istituto Wake Forest per la medicina rigenerativa ha guidato un gruppo di conigli accoppiamento. Ma questo non era un gruppo di conigli. Ai maschi erano stati dati dei peni cresciuti in laboratorio, un'idea su cui aveva lavorato dal 1992.
Dei 12 conigli con peni bioingegnerizzati, tutti hanno tentato l'accoppiamento. Otto conigli sono stati eiaculati con successo e quattro conigli hanno avuto una prole.
Nel 2014, Atala e il suo team avevano creato sei peni umani con la speranza di ottenere l'approvazione della FDA per il trapianto umano. Gli scienziati mettono gli organi cresciuti in laboratorio attraverso test rigorosi, usando una macchina per tirare e stringerli per assicurarsi che resistano all'usura quotidiana.
Il team ha anche creato macchine per pompare il fluido attraverso gli organi per garantire che possano gestire le erezioni. A partire dal 2017, la Food and Drug Administration degli Stati Uniti non ha approvato gli organi cresciuti in laboratorio per il trapianto umano nella popolazione generale.
2 vagine
Il dott. Anthony Atala e il suo team hanno anche sviluppato vagine umane nel loro laboratorio. Questi organi furono poi impiantati in quattro adolescenti in Messico che avevano un disturbo che li aveva fatti nascere senza vagine.
Per costruire gli organi, la squadra di Atala ha prelevato un piccolo campione di tessuto da ogni ragazza. Quindi hanno creato uno scaffold biodegradabile personalizzato e l'hanno iniettato con cellule cresciute dai campioni di tessuto originali.
Il primo di questi interventi chirurgici è stato completato nel 2005. I follow-up con le donne non hanno rivelato complicanze a lungo termine delle operazioni. Tutte e quattro le donne hanno riferito il normale funzionamento sessuale. Tuttavia, solo due delle donne hanno un utero. Non è chiaro se i restanti due saranno in grado di generare figli.
1 palle del cervello
Sergiu Pasca alla Stanford University ha tenuto in vita un mini-cervello per due anni interi. Gli scienziati si riferiscono ad esso come un organoide cerebrale. Solo circa 4 millimetri (0,16 pollici) di diametro, questo piccolo ciuffo di tessuto cerebrale umano è stato coltivato in laboratorio da cellule staminali. Con gli ormoni giusti, i ricercatori possono convincere il tessuto a crescere in strutture che imitano quasi parti del cervello.
La più grande differenza tra il vero affare e queste mini controparti?
I cervelli cresciuti in laboratorio non hanno vasi sanguigni o globuli bianchi e non seguono i tipici schemi di neurosviluppo. Invece, smettono di maturare all'equivalente del primo trimestre di sviluppo umano. Almeno questo è il caso dei neuroni organoidi cerebrali.
Ci sono cellule non neuronali nel cervello chiamate astrociti che riescono a raggiungere la piena maturità nei organoidi cresciuti in laboratorio. Gli astrociti sono cellule ausiliarie che creano e riducono le connessioni tra i neuroni secondo necessità. Fanno anche collegamenti con i vasi sanguigni che portano dentro e fuori dal cervello e svolgono un ruolo fondamentale nel rilevamento delle lesioni.
Ulteriori studi su queste sfere cerebrali potrebbero aiutare a sbloccare i meccanismi alla base della malattia di Lou Gehrig e di vari disturbi dello sviluppo neurologico.