Nel 2015, la NASA ha condotto uno studio rivoluzionario: protagonisti i gemelli astronauti omozigoti Scott e Mark Kelly, con il primo inviato nello spazio per un anno e il secondo rimasto sulla Terra. La missione, ispirata al famoso “paradosso dei gemelli” di Einstein, mirava a confrontare i loro parametri fisiologici, genetici e comportamentali dopo la permanenza di Scott sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS).
Quattro anni dopo, nel 2019, le ricercatrici e i ricercatori del New York Stem Cell Foundation Research Institute e dello Scripps Research Institute negli Stati Uniti hanno intrapreso un esperimento analogo, ma con protagonisti piccoli aggregati di cellule nervose chiamati organoidi. Questi “mini-cervelli” sono stati inviati sulla ISS per un mese, mentre le loro controparti gemelle sono rimaste a Terra.
Al loro ritorno, le cellule spaziali hanno stupito le ricercatrici e i ricercatori: non solo erano in perfette condizioni, ma avevano anche maturato più velocemente rispetto alle loro gemelle terrestri e mostravano una minore espressione di geni associati allo stress. La spiegazione di questo apparente paradosso è che la microgravità potrebbe simulare meglio le naturali condizioni di crescita all’interno del cranio umano, consentendo agli organoidi di svilupparsi in maniera più simile al cervello reale. La ricerca, pubblicata su Stem Cells Translational Medicine, apre nuove prospettive per lo studio delle malattie neurodegenerative e dello sviluppo neuronale.
Perché studiare la microgravità per le malattie?
Uno dei motivi principali è studiare gli effetti della microgravità sulla salute umana. Nello spazio, infatti, il corpo umano subisce una sorta di “invecchiamento accelerato”: si osservano atrofia dei muscoli scheletrici, perdita di densità ossea e disfunzioni del sistema immunitario, cambiamenti che si verificano dopo lunghi periodi in orbita.
La ISS è anche un laboratorio con caratteristiche uniche, che permettono di creare modelli più avanzati di malattia e accelerare lo sviluppo di nuovi farmaci. Un esempio è la biostampa 3D di organi e tessuti umani: nello spazio, l’assenza di gravità permette alle cellule di tessuti molli – come cartilagini, muscoli o legamenti – di organizzarsi e proliferare senza le limitazioni imposte dalla gravità terrestre.
Anche le cellule staminali sembrano beneficiare delle condizioni spaziali. Queste cellule, fondamentali nella medicina rigenerativa, possono riparare o sostituire tessuti danneggiati. Diversi studi hanno dimostrato che nello spazio le staminali proliferano più velocemente, si organizzano in strutture tridimensionali e preservano meglio la loro “staminalità”, ovvero la capacità di differenziarsi in altri tipi cellulari.
Mini-cervelli in orbita
Le ricercatrici e i ricercatori del New York Stem Cell Foundation Research Institute e lo Scripps Research Institute negli Stati Uniti hanno inviato sulla ISS organoidi cerebrali creati a partire da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) derivate da donatori sani e da pazienti affetti da malattie neurodegenerative come sclerosi multipla o malattia di Parkinson.
Le iPSC sono state indotte a svilupparsi in neuroni corticali e dopaminergici, due tipi di cellule nervose particolarmente colpite da queste malattie neurodegenerative, e in microglia, le cellule immunitarie del sistema nervoso centrale. Queste cellule hanno formato un organoide, una sorta di replica tridimensionale in miniatura dell’organo reale.
Preparazione al viaggio spaziale
Gli organoidi sono stati collocati in piccoli contenitori sigillati (crioviali) contenenti una minima quantità di terreno di coltura, un liquido nutritivo che garantisce la sopravvivenza cellulare. Durante la preparazione e il monitoraggio, vengono utilizzati agitatori orbitali, strumenti indispensabili per assicurare una distribuzione uniforme dei nutrienti all'interno dei terreni di coltura. Questi agitatori consentono di mantenere un movimento costante e regolare, fondamentale per evitare la sedimentazione cellulare e garantire una coltura omogenea.
I crioviali, progettati per mantenere una temperatura stabile durante il trasporto, sono stati inviati al Kennedy Space Center (KSC) in Florida. Da lì, sono stati caricati a bordo della missione SpX CRS-19 di SpaceX e lanciati verso la ISS. Durante l’intera missione, i livelli di radiazione sono stati monitorati utilizzando i registri della Stazione.
Gli organoidi sono rimasti in orbita per 30 giorni in coltura statica, senza alcuna sostituzione del terreno di coltura. Al termine della missione, sono stati riportati sulla Terra per analisi approfondite, mentre un gruppo di controllo è stato mantenuto nei laboratori del KSC.
Gli effetti dello spazio sugli organoidi
Le analisi condotte dopo il rientro hanno incluso test sulla vitalità cellulare, studi sull’espressione genica e la struttura cellulare e analisi delle proteine rilasciate nel terreno di coltura. I risultati sono pubblicati su Stem Cells Translational Medicine.
Il primo dato sorprendente è stato che tutte le cellule erano vive e in buona salute. Inoltre, sono state identificate differenze significative rispetto agli organoidi di controllo rimasti sulla Terra.
Gli organoidi spaziali mostravano una maggiore espressione di geni associati alla maturazione cellulare e una minore espressione di geni legati alla proliferazione. In altre parole, nello spazio le cellule si sono replicate più lentamente, ma hanno maturato più rapidamente. Inoltre, i livelli di geni associati allo stress cellulare e all’infiammazione erano più bassi.
Lo spazio come simulazione del cervello umano
Questi risultati potrebbero essere dovuti al fatto che la microgravità simula meglio le condizioni all’interno del cranio umano rispetto a una provetta sulla Terra.
«Le caratteristiche della microgravità sembrano replicare più fedelmente ciò che accade nel cervello umano,» hanno spiegato le autrici e gli autori dello studio. «Nello spazio, gli organoidi non sono costantemente esposti a quantità eccessive di liquidi di coltura o ossigeno, e si organizzano in modo più naturale, diventando una sorta di ‘mini-cervello’.»
Questa scoperta suggerisce che la ISS potrebbe diventare un laboratorio ideale per studiare il cervello umano e testare nuovi farmaci. Il prossimo passo? Studiare gli effetti dello spazio su neuroni provenienti dalle aree cerebrali più colpite dall’Alzheimer.
La ricerca spaziale si sta quindi rivelando una risorsa preziosa per comprendere meglio le malattie neurodegenerative e sviluppare terapie più efficaci.