Embriologia

Embriologia

Biologia dello sviluppo

Una delle conclusioni più sorprendenti della ricerca biologica moderna è che i meccanismi dello sviluppo sono molto simili per tutti gli animali, compreso l’uomo. Questo è particolarmente interessante, in quanto noi possiamo acquisire conoscenze sullo sviluppo dell’uomo studiando lo sviluppo di organismi come il moscerino della frutta, lo zebra fish, la rana o il topo. Questo clamoroso progresso deriva dalla fusione di tre filoni principali: embriologia sperimentale, genetica dello sviluppo e biologia molecolare.

L’embriologia generale e comparata siedono oggi alla “tavola alta” della biologia, non come un antico e nobile antenato, ma come un giovanissimo conviviato, essenziale per fare festa. Ora si chiama biologia dello sviluppo ed è la chiave per capire i processi genetici e le interazioni epigenetiche che portano ad un organismo adulto.

Posizione chiave nella biologia moderna

La biologia dello sviluppo occupa una posizione chiave nella biologia moderna, perché riunisce diverse discipline: biologia molecolare, biologia cellulare, genetica e morfologia. La biologia dello sviluppo è quindi una disciplina in cui è necessaria una conoscenza a tutto tondo dei diversi aspetti della biologia.

La biologia dello sviluppo è la scienza che cerca di spiegare in che modo la struttura degli organismi si modifica con il passare del tempo. La struttura o morfologia comprende: la disposizione delle parti, il numero delle parti, i differenti tipi di parti.

Durante lo sviluppo embrionale, avvengono dei processi di:

• Specializzazione regionale, ovvero il modo in cui compare una struttura in popolazioni cellulari inizialmente simili.
• Differenziamento cellulare: le cellule diventano cioè predestinate a diventare cellule particolari, devolute a una particolare funzione.
• Morfogenesi: movimenti di cellule e tessuti che conferiscono all’organo o all'organismo in via di sviluppo la sua forma tridimensionale.
• Accrescimento dei tessuti e degli organi, che non è completo alla nascita, ma deve necessariamente procedere anche dopo.

Influenza e impatto futuro

Negli ultimi decenni alcuni campi della biologia dello sviluppo hanno avuto un’influenza rilevante sulla società: si pensi alla fecondazione in vitro, alla teratologia (disciplina biologica che studia le malformazioni e le anomalie animali e vegetali), alla conoscenza delle malformazioni genetiche...

Sebbene l’impatto pregresso della biologia dello sviluppo sia rilevante, sarà anche maggiore nel futuro:

• La conoscenza dei meccanismi dello sviluppo sarà d’aiuto per l’industria farmaceutica per evidenziare nuovi obiettivi terapeutici per il trattamento del cancro e delle malattie degenerative.
• Vari sistemi modello sono importanti per studiare lo sviluppo e in particolare le vie di trasduzione del segnale in esso coinvolte.
• Le conoscenze sui processi di accrescimento e rigenerazione sono utilizzabili a scopo terapeutico.
• L’estensione dello screening prenatale permetterà di comprendere l’intera varietà di malattie dovute ai singoli geni.
• Sarà possibile impiegare la biologia dello sviluppo per la produzione di tessuti o organi per il trapianto, ed esistono due diverse vie per raggiungere questo scopo: l'ingegneria tissutale con l’utilizzo di scaffold e lo sviluppo a partire da cellule staminali embrionali umane.

Le tappe dello sviluppo: introduzione

La cellula uovo fornisce il citoplasma (contenente gli organelli) e metà del patrimonio genetico materno. Lo spermatozoo fornisce metà del patrimonio genetico paterno. Quando lo spermatozoo feconda la cellula uovo si forma lo zigote. L' ontogenesi include l'insieme di tutti i fenomeni attraverso cui dall'uovo fecondato si origina un adulto capace di riprodursi.

Gli stadi precoci dello sviluppo corrispondono all' embriogenesi, in cui classicamente si distinguono quattro fasi successive:

• Segmentazione: consiste in una serie di divisioni cellulari, da cui si originano cellule dette blastomeri a formare uno stadio embrionale di massa cellulare detta blastula (o blastocisti nell'uomo), composta da cellule staminali totipotenti; ha lo scopo di far aumentare il numero di cellule (a parità di volume occupato, cioè la blastula è paragonabile in dimensioni alla cellula uovo).
• Gastrulazione: pone le basi per un’armonica organizzazione interna dell’organismo, basata sulla formazione di tessuti diversi. Lo svolgimento di questa fase si manifesta con la formazione dei tre foglietti embrionali temporanei (ectoderma, mesoderma, endoderma), fondamentali! Nel caso in cui ne manchi uno, non si continua. Nello sviluppo umano questo avviene attorno al 10/14esimo giorno dopo la fecondazione. A questo stadio si hanno cellule staminali multipotenti.

Foglietti embrionali

• Ectoderma: da qui ha origine l'epidermide e il sistema nervoso centrale.
• Mesoderma: da qui originano le altre parti del corpo (apparato cardiocircolatorio, tessuto osseo, tessuto muscolare, reni, derma ed ipoderma).
• Endoderma: da qui origina l'apparato gastrointestinale, l'apparato respiratorio, i precursori dei gameti maschili e femminili, gli ureteri, la vescica e l'uretra.
• Creste neurali (quarto, temporaneo, derivante dall'ectoderma): le sue cellule scompaiono immediatamente (dopo poche ore/giorno) e va a popolare gli altri 3 foglietti.

La neurolazione: formazione del primo tessuto, il tessuto nervoso, a partire dall'ectoderma. Procede durante tutto lo sviluppo embrionale e anche dopo la nascita.

Organogenesi: processo variabile a seconda dell'animale in quanto avviene il differenziamento di tessuti e organi; inizialmente compare il cardiovascolare, poi varie altre strutture. Lo sviluppo embrionale iniziale avviene nel medesimo modo sia nel mondo degli invertebrati che in quello dei vertebrati. Nel processo di organogenesi avviene il differenziamento tra le varie specie. L'ontogenesi ricapitola la filogenesi.

Sviluppo post-embrionale

Lo sviluppo post-embrionale è, per un gran numero di specie, il periodo successivo al momento della nascita. Può avvenire in modo diretto o indiretto. Si dice che lo sviluppo è diretto se il giovane organismo raggiunge progressivamente lo stato di adulto mediante un processo di accrescimento e specializzazione. È invece indiretto se l’organismo va incontro ad un periodo critico, la metamorfosi, che assicura il passaggio da uno stadio larvale allo stadio adulto.

Organismi modello

Su oltre un milione di specie di animali, la moderna biologia dello sviluppo ha concentrato la sua attenzione su un numero piccolissimo di specie che sono spesso indicate come organismi modello. “The big six” sono:

• Caenorhabditis elegans: verme nematode con 959 cellule nell'adulto, più di mille nell'embrione. È un organismo ideale perché il suo ciclo di sviluppo dura meno di 1 giorno, ha un alto tasso di replicazione e un numero definito di cellule nell'adulto.
• Drosophila melanogaster: moscerino della frutta, artropode, insetto.
• Brachydanio renio: pesce zebra o zebrafish (cordato, vertebrato, pesce). È un organismo ideale perché ha un cuore con due arti e due ventricoli, è un importante modello per studiare l'apparato cardiocircolatorio, ha un elevato tasso di proliferazione e il suo ciclo di sviluppo dura solo pochi giorni.
• Xenopus leavis: rana artigliata africana (cordato, vertebrato, anfibio). È un organismo ideale perché è facilmente gestibile in laboratorio e produce gameti grandi, apprezzato per aggiungere/togliere cellule, iniettare sostanze.
• Gallus domesticus: pollo (cordato, vertebrato, uccello).
• Mus musculus: topo (cordato, vertebrato, mammifero).

Gametogenesi

Comunemente, sia spermatogenesi che oogenesi iniziano a livello di cellule staminali (spermatogoni e oogoni), che proliferano per divisione asimmetrica. Il processo di meiosi permette la formazione di cellule aventi la metà del corredo cromosomico materno e paterno: i gameti. Alla fine delle due meiosi, il corredo cromosomico è rimodellato e dimezzato in spermatozoi e cellule uovo.

In questo caso:

• Lo spermatocita dopo la meiosi I genera due spermatociti; ciascuno, dopo la meiosi II, origina due spermatidi (aploidi). Non possiedono ancora il flagello né altre caratteristiche tipiche degli spermatozoi. Per ogni spermatocita di primo grado si ottengono 4 spermatidi, che diventeranno 4 spermatogenesi maturi (tutti e 4 gameti maschili).
• L'oocita attuando la meiosi I origina un corpo polare e un oocita secondario; quest'ultimo per meiosi II (solo dopo la fecondazione!) origina una cellula uovo (aploide) e un altro corpo polare. Per ogni oocita primario si ottiene una unica cellula uovo (gamete femminile) e 3 corpi polari (“polar bodies”, non funzionanti perché non fecondabili).

Spermatogenesi

I testicoli sono organi pari deputati alla produzione dei gameti maschili (o spermatogenesi) e alla sintesi di ormoni sessuali maschili (androgeni, tra cui il testosterone). La produzione di gameti maschili si deve all'epitelio seminifero, che compone ciascun tubulo seminifero.

Tra i diversi tubuli seminiferi in serie si trovano cellule con attività endocrina dette cellule di Leydig (che producono ormone testosterone, a base di colesterolo con funzione paracrina: rilasciato tra i tubuli seminiferi, viene trasportato nei tubuli seminiferi dove aiuta la maturazione delle cellule germinative).

All'interno dell'epitelio seminifero, nei tubuli seminiferi, si trovano le cellule in maturazione e cellule di supporto dette cellule di Sertoli: sono elementi cilindrici che sostengono fisicamente le cellule germinative in fase di differenziamento e costituiscono la barriera ematotesticolare, creando un ambiente separato all'interno dei tubuli seminiferi rispetto al sangue. Questo è fondamentale perché le cellule germinative possono esporre lipidi o glucidi diversi da quelli self e ciò potrebbe indurre il sistema immunitario ad attivarsi. Le cellule del Sertoli si occupano degli scambi metabolici tra cellule germinative e sangue; si occupano anche di spostare il testosterone nei tub...