Il problema che bloccava la ricerca: mini-cervelli che si attaccavano come calamite

Per comprendere la portata di questa scoperta, dobbiamo fare un passo indietro e capire cosa sono gli organoidi cerebrali e perché sono così preziosi per la scienza.
Gli organoidi cerebrali - o "mini-cervelli" - sono strutture tridimensionali cresciute in laboratorio a partire da cellule staminali umane. Non sono cervelli completi (e non sono coscienti), ma replicano molte caratteristiche del tessuto cerebrale in via di sviluppo: neuroni organizzati in strati, cellule gliali di supporto, sinapsi funzionanti, e persino attività elettrica spontanea.
Questi modelli hanno rivoluzionato le neuroscienze perché permettono di studiare lo sviluppo del cervello umano in modi prima impossibili. Non possiamo prelevare tessuto cerebrale da feti in via di sviluppo per capire cosa va storto nell'autismo, ma possiamo prendere cellule della pelle da un paziente autistico, riprogrammarle in cellule staminali, e farle sviluppare in organoidi che portano lo stesso DNA del paziente - incluse le mutazioni genetiche che hanno contribuito al disturbo.
Ma c'era un problema enorme che limitava questa tecnologia: gli organoidi tendevano a fondersi tra loro.

"Le persone in laboratorio dicevano costantemente: 'Ho fatto cento organoidi, ma ne sono rimasti solo venti'", racconta Sergiu Pasca, professore di psichiatria e scienze comportamentali a Stanford, direttore del Bonnie Uytengsu and Family Director dello Stanford Brain Organogenesis Program.

Questa "appiccicosità" era sia una benedizione che una maledizione. Da un lato, suggeriva che i ricercatori potessero intenzionalmente fondere diversi tipi di organoidi - diciamo un mini-cervelletto con un pezzo di midollo spinale - per studiare come queste regioni interagiscono durante lo sviluppo. Questi "assembloids" (organoidi assemblati) sono oggi una tecnica all'avanguardia nel laboratorio di Pasca.
Dall'altro lato, per studiare lo sviluppo cerebrale con precisione statistica, testare centinaia di farmaci, o capire le differenze tra pazienti, servivano migliaia di organoidi identici e separati. E questo era impossibile finché continuavano a fondersi spontaneamente.
Da otto organoidi con nomi mitologici a 10.000 copie identiche
Pasca ricorda bene i primi giorni della sua ricerca, circa dodici anni fa, quando aveva appena sviluppato un metodo per trasformare cellule staminali in organoidi neurali regionalizzati.

"Nei primi giorni, ne avevo otto o nove, e li nominavo tutti come creature mitologiche," racconta con nostalgia.

Ma il suo obiettivo era molto più ambizioso: scoprire come lo sviluppo cerebrale possa andare storto in condizioni come l'autismo o la sindrome di Timothy, ed esplorare come i farmaci potrebbero influenzare quello sviluppo. "Avevamo bisogno di produrre migliaia di organoidi, e dovevano essere tutti uguali."
Pasca capì presto che avrebbe avuto bisogno di un team multidisciplinare. "Pensavo: 'Questo è un campo emergente e ci sono molti problemi che dovremo affrontare, e il modo in cui li affronteremo e li risolveremo sarà implementando tecnologie innovative'."

Per realizzare quella visione, Pasca collaborò con Karl Deisseroth, neuroscienziato e bioingegnere affiliato a Wu Tsai Neuro, assemblando un gruppo interdisciplinare che lanciò ufficialmente lo Stanford Brain Organogenesis Program nel 2018 con il sostegno della Wu Tsai Neuro Big Ideas in Neuroscience grant, parte della Wu Tsai Neurosciences Institute di Stanford.
Il programma unisce esperti di neuroscienze, chimica, ingegneria e altre discipline per indagare circuiti neurali legati al dolore, geni collegati a disturbi dello sviluppo neurologico, e nuovi metodi per studiare la connettività cerebrale.

L'esperimento da supermercato che ha cambiato tutto

La soluzione al problema dell'appiccicosità venne da una collaborazione con Sarah Heilshorn, professoressa di ingegneria Rickey/Nielsen e collaboratrice dello Stanford Brain Organogenesis Program, esperta di biomateriali.

"Abbiamo selezionato materiali che erano già considerati biocompatibili e che sarebbero stati relativamente economici e semplici da usare, così che i nostri metodi potessero essere adottati facilmente da altri scienziati," spiega Heilshorn.
Il team testò sistematicamente 23 diversi materiali con un occhio alla accessibilità: niente composti esotici o costosissimi che solo pochi laboratori privilegiati potrebbero permettersi.
Il protocollo era elegantemente semplice: crescere organoidi in un liquido ricco di nutrienti per sei giorni, poi aggiungere uno dei materiali di test. Dopo altri 25 giorni, semplicemente contare quanti organoidi rimanevano separati.

Il vincitore? Gomma di xantano (xanthan gum), un polisaccaride prodotto dalla fermentazione batterica che si trova in:

- Salse per insalata e condimenti
- Gelati e yogurt
- Prodotti da forno senza glutine
- Dentifricio
- Cosmetici
- Perfino fluidi per perforazioni petrolifere

Anche in quantità minime, la gomma di xantano impediva agli organoidi di fondersi, e lo faceva senza alcun effetto collaterale sullo sviluppo degli organoidi stessi. Questo significava che i ricercatori potevano mantenere gli organoidi separati senza distorcere i risultati sperimentali.

"Possiamo facilmente farne 10.000 adesso," afferma Pasca con evidente soddisfazione.

Come funziona la gomma di xantano: chimica dolce per cervelli delicati

Ma perché la gomma di xantano funziona così bene? La risposta sta nelle sue straordinarie proprietà chimico-fisiche.
La gomma di xantano è un polisaccaride complesso prodotto dalla fermentazione di glucosio (derivato da mais, soia o grano) da parte del batterio Xanthomonas campestris. La molecola risultante ha una struttura a "backbone" lineare con catene laterali che le conferiscono proprietà uniche:

Pseudoplasticità: il superpotere della viscosità adattiva

La gomma di xantano è pseudoplastica, il che significa che la sua viscosità cambia in risposta alle forze di taglio. In parole semplici: quando la agitate o mescolate, diventa meno viscosa (più fluida), facilitando il lavoro di laboratorio. Quando smettete di agitare, recupera rapidamente la viscosità elevata, mantenendo gli organoidi sospesi e separati.

Stabilità straordinaria

A differenza di molti addensanti naturali, la gomma di xantano rimane stabile:

- In un ampio range di pH (da 1 a 13)
- A temperature variabili (da congelamento a ebollizione)
- In presenza di sali (importante nei terreni di coltura cellulare)
- Attraverso cicli di congelamento-scongelamento

Biocompatibilità perfetta

Crucialmente, la gomma di xantano è biologicamente inerte alle concentrazioni utilizzate. Non interferisce con:

- La differenziazione delle cellule staminali in neuroni
- La formazione di sinapsi
- L'espressione genica
- La crescita e la morfologia degli organoidi

È come avere un "assistente invisibile" che mantiene gli organoidi al loro posto senza disturbare la loro biologia.

La dimostrazione che conta: 2.400 organoidi testano 298 farmaci
Per dimostrare il potenziale pratico della tecnica, il team affrontò un problema del mondo reale che tormenta la medicina: i medici esitano a prescrivere farmaci potenzialmente benefici a donne in gravidanza e neonati perché non sanno se quei farmaci potrebbero danneggiare i cervelli in via di sviluppo.
Anche se i farmaci approvati dalla FDA subiscono test estensivi, considerazioni etiche significano che generalmente non vengono testati su donne incinte o bambini. Questo crea un vuoto di conoscenza pericoloso: milioni di donne in gravidanza con condizioni mediche che richiedono farmaci devono scegliere tra la propria salute e potenziali rischi sconosciuti per il feto.
Gli organoidi offrono una soluzione etica a questo dilemma.
Genta Narazaki, ricercatore visitante nel laboratorio di Pasca all'epoca della ricerca, coltivò 2.400 organoidi corticali in lotti. Poi, lavorando a stretto contatto con il collega Yuki Miura nel laboratorio Pasca, Narazaki aggiunse uno di 298 farmaci approvati dalla FDA a ciascun lotto per vedere se qualcuno potesse causare difetti di crescita.
I risultati furono illuminanti: diversi farmaci, incluso uno usato per trattare il cancro al seno, bloccavano la crescita degli organoidi, suggerendo che potrebbero essere dannosi per lo sviluppo cerebrale.

"Un singolo sperimentatore ha prodotto migliaia di organoidi corticali da solo e testato quasi 300 farmaci," sottolinea Pasca, evidenziando l'incredibile efficienza del metodo.

Questo tipo di screening su larga scala era semplicemente impossibile prima. Ora, potenziali effetti collaterali di farmaci sullo sviluppo cerebrale possono essere identificati in settimane anziché anni, e senza esporre un singolo essere umano vulnerabile.

Le malattie che questa tecnologia potrebbe aiutare a combattere

Pasca e i suoi colleghi dello Stanford Brain Organogenesis Program stanno ora usando la loro tecnica per fare progressi su numerosi disturbi neuropsichiatrici devastanti.

Autismo: decifrare lo spettro

Il disturbo dello spettro autistico (ASD) colpisce circa 1 bambino su 36 negli Stati Uniti e circa 1 su 77 nell'Unione Europea. È una condizione complessa caratterizzata da difficoltà nella comunicazione sociale, comportamenti ripetitivi e interessi ristretti.
L'autismo è estremamente eterogeneo: alcuni individui sono non verbali e richiedono supporto intensivo per tutta la vita, mentre altri sono altamente funzionali con sfide più sottili. Questa diversità riflette la complessità genetica sottostante: centinaia di geni diversi possono contribuire al rischio di autismo.

Gli organoidi stanno rivelando pattern comuni tra diverse forme genetiche di autismo:

- Sbilanciamento eccitatorio-inibitorio: Molti organoidi derivati da pazienti autistici mostrano un eccesso di neuroni eccitatori glutammatergici rispetto agli inibitori GABAergici
- Alterazioni nella proliferazione: Alcuni organoidi mostrano proliferazione eccessiva di progenitori neurali (correlata con macrocefalia osservata in alcuni bambini autistici)
- Problemi di migrazione neuronale: Neuroni che non raggiungono le posizioni corrette nella corteccia in via di sviluppo
- Sviluppo sinaptico anomalo: Formazione alterata di connessioni tra neuroni

Con migliaia di organoidi identici disponibili, i ricercatori possono ora:

- Identificare quali specifici tipi cellulari sono più vulnerabili in ciascuna forma genetica di autismo
- Testare migliaia di composti per trovare quelli che normalizzano lo sviluppo
- Sviluppare "firme molecolari" che predicono quali pazienti risponderanno a quali terapie

Sindrome di Timothy: una finestra genetica sull'autismo

La sindrome di Timothy è una rara condizione genetica che offre intuizioni preziose sull'autismo. È causata da una singola mutazione nel gene CACNA1C, che codifica per il canale del calcio Cav1.2.

I bambini con sindrome di Timothy presentano:

- Problemi cardiaci gravi: aritmie pericolose (QT lungo) che possono causare morte improvvisa
- Autismo (80% dei casi che sopravvivono abbastanza a lungo per la valutazione)
Sindattilia (fusione di dita delle mani o dei piedi)
- Ritardo dello sviluppo e disabilità intellettiva
- Epilessia

La maggior parte dei bambini con sindrome di Timothy muore prima dei 3 anni per complicazioni cardiache, con un'età media di morte di 2,5 anni, anche se alcuni sono sopravvissuti fino ai vent'anni.
Pasca stesso è stato pioniere nello studio della sindrome di Timothy con organoidi. Nel suo studio seminale del 2011 pubblicato su Nature Medicine, ha generato neuroni da cellule staminali derivate da pazienti con sindrome di Timothy, scoprendo che:

- I neuroni avevano difetti nella segnalazione del calcio
- Mostravano anomalie nella differenziazione
Producevano in eccesso neurotrasmettitori come dopamina e norepinefrina
- Il trattamento con roscovitina (un inibitore delle chinasi ciclina-dipendenti) poteva invertire alcuni fenotipi

Più recentemente, nel 2024, il team di Pasca ha dimostrato una terapia genica che ripristina la funzione cellulare normale negli organoidi derivati da pazienti con sindrome di Timothy, usando un oligonucleotide antisenso - un piccolo pezzo di materiale genetico sintetico progettato per sostituire la proteina difettosa con una versione sana.
Questa ricerca sulla sindrome di Timothy non solo offre speranza ai pochi pazienti con questa condizione rarissima, ma fornisce intuizioni più ampie sui meccanismi cellulari che contribuiscono all'autismo idiopatico (senza causa genetica nota).

Schizofrenia: modellare la psicosi in laboratorio

La schizofrenia colpisce circa l'1% della popolazione mondiale e è caratterizzata da allucinazioni, deliri, pensiero disorganizzato e deficit cognitivi. Tipicamente emerge nella tarda adolescenza o nella prima età adulta.
Gli organoidi stanno rivelando che la schizofrenia potrebbe avere radici nello sviluppo cerebrale precoce, decenni prima della comparsa dei sintomi. Studi recenti hanno trovato:

- Alterazioni nella generazione di interneuroni (neuroni inibitori) negli organoidi derivati da pazienti
- Problemi nella migrazione neuronale da regioni ventrali a dorsali del cervello
- Espressione genica alterata nei progenitori neurali
- Anomalie nella formazione dei circuiti neurali

Con la capacità di produrre migliaia di organoidi, i ricercatori possono ora:

- Confrontare organoidi da pazienti con diversi sottotipi di schizofrenia
- Testare ipotesi su come fattori ambientali (infezioni virali prenatali, stress, cannabis) interagiscono con vulnerabilità genetiche
- Identificare biomarcatori precoci che predicono chi svilupperà la malattia

Epilessia: circuiti neurali fuori controllo

L'epilessia colpisce circa 50 milioni di persone nel mondo. Circa il 30% dei pazienti non risponde ai farmaci antiepilettici disponibili, vivendo con il rischio costante di crisi devastanti.

Gli organoidi epilettici mostrano:

- Ipereccitabilità neuronale: neuroni che sparano troppo facilmente
- Sbilanciamento eccitazione-inibizione: troppi neuroni eccitatori o troppo pochi inibitori
- Sincronia anormale: gruppi di neuroni che sparano in modo eccessivamente sincronizzato
- Scariche spontanee: attività elettrica che ricorda le crisi epilettiche

Crucialmente, gli organoidi epilettici possono essere usati per:

- Testare nuovi farmaci antiepilettici su tessuto umano
- Identificare quali pazienti risponderanno a quali farmaci (medicina personalizzata)
- Sviluppare terapie geniche per forme genetiche di epilessia

Scienza aperta: condividere per accelerare il progresso

Un aspetto che distingue il lavoro del team di Stanford è l'impegno verso la scienza aperta. "Questo, come tutti i nostri metodi, è aperto e liberamente accessibile," afferma Pasca. "Ci sono già numerosi laboratori che hanno implementato questa tecnica."
In un'era in cui molti laboratori trattengono i protocolli come segreti commerciali, o li pubblicano solo in forma vaga e inutilizzabile, l'approccio di Stanford è rivoluzionario. Rendendo i metodi dettagliati liberamente disponibili, accelerano drammaticamente il progresso scientifico globale.
Questo filosofia riflette quella del movimento open science, che riconosce che la scienza progredisce più rapidamente quando i ricercatori collaborano apertamente piuttosto che competere segretamente. Nel contesto della ricerca medica, dove ogni giorno di ritardo significa sofferenza umana continuata, quest'etica ha un'importanza morale particolare.

I limiti: cosa gli organoidi non possono (ancora) fare

Nonostante il loro enorme potenziale, è importante riconoscere i limiti attuali degli organoidi cerebrali.
Non sono cervelli completi
Gli organoidi mancano di:

- Vascolarizzazione (vasi sanguigni che forniscono ossigeno e nutrienti)
- Microglia (cellule immunitarie del cervello) nella maggior parte dei protocolli
- Connettività tra regioni distanti come nel cervello intero
- Input sensoriali dal mondo esterno

Questi limiti significano che gli organoidi catturano principalmente aspetti dello sviluppo cerebrale precoce (primo e secondo trimestre di gravidanza), ma faticano a replicare stadi più avanzati.

Dimensioni limitate

Gli organoidi tipicamente crescono fino a pochi millimetri di diametro prima che il loro nucleo cominci a morire per mancanza di ossigeno. Senza vasi sanguigni, i nutrienti possono raggiungere solo le cellule superficiali per diffusione.
Ricercatori stanno lavorando su organoidi vascolarizzati che incorporano cellule endoteliali per formare reti capillari primitive, ma questa rimane una sfida tecnica significativa.

Variabilità batch-to-batch

Anche con la gomma di xantano, rimane una certa variabilità tra diversi lotti di organoidi. Fattori come:

- Qualità del lotto di cellule staminali
- Concentrazioni esatte di fattori di crescita
- Timing preciso delle manipolazioni
- Condizioni ambientali (temperatura, CO₂, umidità)

Possono tutti influenzare il risultato finale. I ricercatori stanno lavorando a protocolli sempre più standardizzati e automatizzati per ridurre questa variabilità.

Questioni etiche emergenti

Man mano che gli organoidi diventano più complessi, emergono domande etiche spinose:

- Coscienza: Organoidi sufficientemente complessi potrebbero sviluppare forme primitive di coscienza o capacità di soffrire?
- Chimere: È etico impiantare organoidi umani in cervelli animali per studiare la loro integrazione?
- Proprietà: Chi possiede gli organoidi derivati dalle cellule di un paziente? Il paziente conserva diritti su di essi?

Queste domande richiedono dialogo continuo tra scienziati, bioeticisti, pazienti e pubblico.

Uno degli aspetti più entusiasmanti di questa scoperta è che non richiede equipaggiamenti costosi o reagenti esotici. La gomma di xantano costa pochi euro al chilogrammo. Laboratori in paesi a basso e medio reddito possono implementare questa tecnica con risorse minime.
Questa democratizzazione della ricerca significa che talenti brillanti in ogni angolo del mondo possono contribuire alla comprensione del cervello umano. Non è necessario essere in un'università d'élite con budget multimilionari.
Pasca e il suo team hanno fatto un passo ulteriore rendendo i loro protocolli dettagliati liberamente disponibili online, con video tutorial e risposte alle domande più comuni. Questa generosità scientifica accelererà il progresso molto più di qualsiasi singola scoperta.

Bibliografia:

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