L’autismo è un’alterazione del neurosviluppo che interessa principalmente il comportamento, la comunicazione e le interazioni sociali. Poiché è estremamente difficile studiare il cervello nel corso del suo sviluppo, le cause di tale condizione sono ancora sconosciute. Tuttavia, oggi si dispone di tecnologie che permettono di aggirare parzialmente il problema. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Harvard ha usato organoidi artificiali per studiare tre geni associati all’autismo – e osservare come influenzano lo sviluppo cerebrale.
Cos’è l’autismo
La definizione di autismo genera spesso confusione. I manuali diagnostici parlano di Disturbi dello Spettro Autistico (DSA) per indicare tutte le divergenze del comportamento associate alla sindrome.
I tratti peculiari si manifestano nella prima infanzia e in alcuni soggetti sono coinvolti i processi cognitivi. Spesso le persone autistiche faticano a gestire sovraccarichi sensoriali perché non riescono a processare gli stimoli del mondo circostante, con ripercussioni sulla salute mentale. La scienza, negli ultimi anni, sta dedicando sempre più attenzione a questa condizione così complessa.
La componente genetica
La componente genetica dello spettro autistico è ampiamente studiata grazie all’utilizzo di organoidi – ovvero aggregati cellulari tridimensionali – coltivati a partire da cellule staminali di persone appartenenti allo spettro (Figura 1).
- Per approfondire, abbiamo parlato di organoidi corticali anche qui.
Questo approccio ha prodotto notevoli risultati: centinaia di geni coinvolti nello sviluppo di linee corticali di neuroni si sono rivelati associati all’autismo. Tuttavia resta difficile definire con esattezza la modalità con cui essi influenzino lo sviluppo.
Per questo motivo, in uno studio recentemente condotto ad Harvard, un gruppo di ricerca ha usato il gene editing per indurre mutazioni negli organoidi. In questo modo ha potuto seguire con più accuratezza le anomalie durante le diverse fasi dello sviluppo.
L’esperimento di editing genomico
I ricercatori hanno lavorato con organoidi di tessuto cerebrale: se lasciati liberi di crescere, questi si differenziano in linee cellulari differenti e si organizzano in reti primitive – ovvero gruppi di neuroni con una specifica funzione – che simulano i meccanismi del cervello.
Gli scienziati sono poi intervenuti su ciascun modello con il metodo CRISPR, inducendo aploinsufficienza a livello di CHD8, SUV420H1 e ARID1B – tre dei geni coinvolti nella manifestazione dell’autismo (Figura 2).
- Per approfondire, abbiamo parlato di editing genomico anche qui.
Gli effetti delle mutazioni sono stati seguiti usando tecniche di scRNA – che esaminano il livello di espressione di una cellula in una popolazione misurando la concentrazione di RNA messaggero (mRNA) – e di analisi proteomica. Lo scopo è identificare la convergenza fenotipica di ciascun organoide e osservare come viene influenzata dalla presenza del gene mutante.
- Per approfondire, abbiamo parlato di come funziona l’mRNA anche qui.
Sviluppo asincrono di linee neuronali
È stata poi analizzata la dinamica di sviluppo neuronale in funzione di traiettoria e pseudoperiodo: per ciascuna linea di neuroni, ha calcolato il tempo impiegato a percorrere la traiettoria corrispondente allo sviluppo cellulare. A questo punto ha osservato che gli organoidi con il gene modificato stavano crescendo fuori tempo rispetto agli altri. Ciò rende la fase di organizzazione in reti particolarmente difficile per le cellule e, in effetti, si origina un’architettura cerebrale differente – che potrebbe essere la chiave di lettura delle neurodiversità.
Lo sviluppo è una sinfonia: se nell’orchestra i violini sono fuori tempo rispetto agli altri strumenti, la musica prodotta è molto diversa
Paola Arlotta, professoressa alla Harvard University e autrice dello studio
Attività circuitale spontanea ridotta
Lo sviluppo sfasato di queste classi di neuroni ha portato gli scienziati ad indagare sull’attività circuitale spontanea, confrontando quella degli organoidi soggetti ad editing genomico con quella degli organoidi che invece non hanno subito modulazioni (Figura 3).
Ad entrambi i campioni di organoidi è stato applicato NBQX – un inibitore dell’eccitazione – e ne è stata osservata l’attività residua (indicata con gli asterischi in Figura 3). Dopo l’applicazione di NBQX, solo gli organoidi non modificati hanno mostrato attività residua, indicando che le cellule non modificate sono più eccitabili rispetto alle cellule mutanti.
Ciò suggerisce che l’alterazione dei geni ha ascendente sull’attività di alcune aree cerebrali.
Fattori genetici: squilibrio tra eccitazione e inibizione
È stato quindi riscontrato ciò che viene definito effetto convergente sullo sviluppo neurologico: nonostante i ruoli differenti, i tre geni influenzano percorsi comuni – e ciò si traduce in uno squilibrio tra neuroni eccitatori e inibitori.
Questa scoperta fa strada ad una possibile terapia farmacologica in grado di ripristinare l’equilibrio a livello dei microcircuiti corticali.
Il ruolo delle variazioni epigenetiche
Infine, i ricercatori hanno provato a diversificare lo studio per osservare come il contesto epigenetico influenzi lo sviluppo delle aree cerebrali coinvolte nell’autismo. A tal fine, hanno utilizzato organoidi coltivati con cellule staminali provenienti da donatori differenti. Sorprendentemente, il team ha dimostrato che genomi differenti modulano l’espressione fenotipica.
Questo è perfettamente consistente con la natura multifattoriale della condizione, che rende la diagnosi di autismo così complessa. Infatti, molti pazienti ricevono la diagnosi solo in tarda età, sottraendosi quindi agli effetti benefici che un approccio terapeutico su più fronti potrebbe produrre.
L’epigenetica ha un ruolo fondamentale nel neurosviluppo: le stesse alterazioni genetiche interessano ogni individuo in modo differente.
Conclusioni e prospettive future
Il gruppo di ricerca dell’Università di Harvard ha sfruttato il gene-editing per osservare, su organoidi coltivati in laboratorio, come le mutazioni genetiche influenzano la neurobiologia dell’autismo. Lo squilibrio eccitatorio-inibitorio dei circuiti corticali è una delle ipotesi che va per la maggiore, fornendo un risultato importante nel panorama delle neuroscienze comportamentali e delle terapie associate.
Comprendere la neurodivergenza è un passo fondamentale per capire come trattarla e migliorare l’esperienza dei pazienti. Essa è il risultato di interazioni tra cause differenti che sfociano in effetti di diverso tipo e complessità. Tuttavia gli scienziati sperano di riuscire a scomporre lo spettro in pezzi meglio definibili, quindi comprensibili.
Lo studio suggerisce che la condizione autistica possa derivare da criticità a livelli diversi dei processi di differenziazione neuronale e di organizzazione in reti primitive. Ciò incoraggia studi futuri su approcci terapeutici rivolti alla modulazione sia delle reti neurali interessate che dei processi coinvolti.
