Scuola Interateneo di Specializzazione per la Formazione degli Insegnanti della Scuola Secondaria
AnnoAccademico 1999-2000
Corso di Storia ed Epistemologia delle Scienze
Giuliana Maffiodo Alessandra Mina
LA SCOPERTA DEL NERVE GROWTH FACTOR. UN’AVVENTURA DURATA PIU’ DI 35 ANNI.
Aspetti storici, umani e sperimentali
di una delle più inaspettate ed importanti conquiste
della biologia moderna
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Segue il testo originale delle due Autrici
A.A. 1999/2000
Storia ed epistemologia delle scienze
Maffiodo Giuliana
Mina Alessandra
LA SCOPERTA DEL NERVE GROWTH FACTOR. UN’AVVENTURA DURATA PIU’ DI 35 ANNI.
Aspetti storici, umani e sperimentali
di una delle più inaspettate ed importanti conquiste
della biologia moderna.
L’insegnamento secondo un approccio "costruttivista" concepisce l’apprendimento, non come un immagazzinare informazioni che descrivano la realtà, bensì come un PERCORSO DI RIFLESSIONE, con il quale l’allievo diventi consapevole del fatto che i concetti e le teorie che scaturiscono dalle pratiche sperimentali ( e che costituiscono l’ossatura di una qualunque disciplina scientifica) sono state ELABORATE dagli scienziati, per rispondere alle problematiche innescate dall’osservazione dei fenomeni. In quest’ottica, l’apprendimento non sarà più un mero incassare delle nozioni, e la vera "protagonista" della scienza non sarà più la realtà ("fotografata" secondo un "metodo" oggettivo, astorico e universale), ma piuttosto lo scienziato, che COSTRUISCE LA REALTA’ con l’attività di pensiero, cioè organizzando i dati in SISTEMI APERTI DI IDEE, attraverso un'interazione dialettica fra gli eventi fenomenici e ragionamenti. Dunque, lo scienziato diventa un SOGGETTO ASSOLUTAMENTE CREATIVO E ATTIVO, che entra in relazione col mondo (ben lontano dall’essere un osservatore asettico!), e le sue teorie non sono più isolate dal contesto dei tempi in cui vive, ma, anzi, PROFONDAMENTE INFLUENZATE DALLA CORNICE STORICA, DAI FATTI E DALLE PERSONE CHE LO ATTORNIANO.
Le caratteristiche personali dello scienziato (genialità, logica, coerenza, creatività, perseveranza, passione, ecc.), come pure le sue vicende di vita, acquistano un significato pregnante.
Allora, per un’insegnante "costruttivista" può rivelarsi utile spostare alcuni punti del programma, dall’esito della ricerca (una legge, una teoria, un modello), al processo storico di produzione di un risultato scientifico, cioè trattare alcuni temi in chiave storico-critica.
Un esempio di questo tipo di approccio consiste nel proporre agli allievi l’analisi della "avventura" vissuta dalla nota scienziata Rita Levi Montalcini, protagonista di un singolare itinerario, durato circa 35 anni, che l’hanno condotta, "per vie tanto imprevedibili quanto insperabili", ad imprimere un’enorme svolta nello studio dei meccanismi di regolazione e differenziazione del sistema nervoso, al punto di diventare, nel 1986, l’assegnataria del Premio Nobel per la fisiologia o la medicina. Ripercorrere con gli allievi le diverse tappe che hanno portato alla scoperta del fattore di crescita delle fibre nervose (NGF) significa ricostruire il MODO DI LAVORARE E RAGIONARE DEGLI SCIENZIATI: argomentare un tema secondo il suo profilo storico consente di intravedere la grande complessità che sta dietro il raggiungimento di un "risultato scientifico", il che è cosa ben diversa dal limitarsi ad esporre contenuti disciplinari.
Nel caso scientifico MONTALCINI l’aspetto biografico è molto forte e contraddistinto dal temperamento della scienziata,(1) che trova la sua prima incisiva espressione in quella determinazione e passione che la portano a riprendere gli studi dopo tre anni di abbandono, iscrivendosi all’università e sottraendosi, così, a quel destino di moglie e madre che in famiglia le si era prefigurato.
Il sistema nervoso inizia ad essere il campo d’elezione degli studi della Montalcini sin dal primo anno universitario, quando entra come interna nell’istituto del famoso istologo Giuseppe Levi, una figura che "torreggiava" in quegli anni ’30 nell’ateneo torinese, che per alcuni aspetti gli ricordava il padre e che avrebbe esercitato un’enorme influenza sulla sua vita.
Emerge così un altro elemento che influenzò questa esperienza e che è il RUOLO VERAMENTE STRAORDINARIO DELL’AMICIZIA, che, unitamente alla situazione storica contingente, arriva a determinarne la genesi e gli sviluppi dell’intera vicenda.
Giuseppe Levi a quell’epoca stava studiando il processo di differenziazione del tessuto nervoso e questo argomento affascinò da subito la Montalcini (
1)Inseguito all’emanazione delle leggi antisemite (che privavano ogni cittadino "non ariano" di ogni diritto alla carriera universitaria e alla libera professione) nel novembre del 1938, sia la dottoressa Montalcini, sia Giuseppe Levi, trascorrono un periodo a Bruxelles.
Nel 1940, in seguito all’invasione del Belgio, però rientrano a Torino ed iniziano a LAVORARE INSIEME, in un piccolo laboratorio privato di neuroembriologia sperimentale, allestito in casa.
In un’atmosfera che si fa sempre più cupa e minacciosa, mentre sui quotidiani rigurgitano slogan antisemiti, i DUE AMICI FORMANO UNA VERA E PROPRIA SQUADRA, costretti alla segregazione e, quindi, intenti a studiare dalla mattina alla sera gli effetti di ablazione e innesti di arti sullo sviluppo dell’embrione di pollo; l’obiettivo era determinare il ruolo dei fattori intrinseci (genetici) e di quelli estrinseci (ambientali) sulla differenziazione dei centri nervosi.
E’ fondamentale fare il punto sulla situazione della embriologia nel momento in cui la Montalcini muove i primi passi della sua "epopea scientifica", per inquadrare al meglio la significatività della sua opera.
A quell’epoca ormai era ben chiaro che alla base del funzionamento del SISTEMA NERVOSO vi è l’organizzazione dei neuroni che lo compongono e la distribuzione di assoni e dendriti che formano RETI NERVOSE. Contributi fondamentali alla definizione dell’organizzazione istologica del sistema nervoso erano infatti stati apportati , all’inizio del secolo dall’italiano Camillo Golgi e dallo spagnolo Ramòn y Cajal grazie alla messa a punto di metodi (2) di impregnazione argentica. In quegli anni stava inoltre sviluppandosi l’ipotesi che la messa in opera del "PROGETTO CERVELLO" richiedesse un insieme complesso e altamente coordinato di operazioni tanto che la crescita delle fibre nervose era considerata la conseguenza di fumose" forze induttive" esercitate dai territori periferici. Per studiare a fondo questo argomento si richiedevano studi di embriologia sperimentale negli anni ’40, però questa disciplina soffriva di una sorta di frustrazione, in quanto si configurava essenzialmente per la meticolosità delle descrizioni anatomiche, ma le mancava quell’impronta di disciplina scientifica, che deriva dal PROGREDIRE SECONDO UNA DIRETTRICE DI ELABORAZIONI TEORICHE (continuava, cioè, a mancare una TEORIA DELLO SVILUPPO).
Gli esperimenti di Levi e della Montalcini erano quindi molto importanti e innovativi perché cercavano di stabilire la natura e il ruolo nello sviluppo di quelle fumose "forze induttive". Nonostante ciò i loro risultati non furono, accettati dai periodici italiani per la pregidiale razziale. Furono invece pubblicati da un periodico belga e alla fine della guerra vennero alla conoscenza del famoso neuroembriologo Viktor Hamburger, dal quale imprevedibilmente (3) venne l’invito (nel 1947) a recarsi a lavorare con lui a St. Louis.
Una delle caratteristiche più affascinanti (e al tempo stesso "sfuggevole") dell’intera vicenda che ha condotto alla scoperta dell’NGF è anche data dal fatto che essa è scandita , sin dal principio dall’EFFETTO SORPRESA. Una lunga sequenza di eventi NON PREVISTI e a volte anche pesantemente influenzati dal CONTESTO STORICO, hanno prodotto ogni volta una svolta su un percorso NON TRACCIATO e hanno dischiuso, man mano, nuove viste, su un panorama sempre mutevole. In questo caso, per esempio la storia paradossalmente appare come una nemica/amica; la stessa Montalcini testimonia che il rifiuto dei periodici italiani "fu una fortuna, perché evitò che cadessero nell’oblio".
Così nel 1947 la Montalcini, nonostante il calo di entusiasmo (
4) che affliggeva l’embriologia in generale e che quindi coinvolgeva la neuroembriologia, accetta l’invito di V. Hamburger e si reca a St. Louis dove inizia, il periodo più fertile e felice della sua vita di scienziata, sancito da questo sodalizio con un prezioso collaboratore, COMPAGNO DI RICERCA E DI SVENTURE (V. Hamburger è uno scienziato tedesco fuggito dalla Germania all’avvento di Hitler), con il quale si instaura un’amicizia (5) e un dialogo destinati a durare per il resto delle loro vite.In questa solida rete di amicizie troveranno posto anche altri scienziati che, animati dallo stesso SPIRITO COLLABORATIVO (
6) , contribuiranno ad incanalare la ricerca verso un certo esito.La Montalcini riesamina con Hamburger gli esiti di esperimenti, che quest’ultimo aveva condotto a partire dal ’34. Ancora in Europa, negli anni ’30, egli aveva aperto nuove frontiere alla neuroembriologia, per il fatto di aver sostituito la larva di anfibio con quella di pollo come materiale principe per gli studi ontogenetici. ( essa è più vantaggiosa perché si presta meglio ad analisi rigorose. Il sistema nervoso di pollo è costruito secondo un piano più elaborato rispetto quello dell’anfibio, e i suoi processi ontogenetici rispettano una sequenza temporale fissata).
Erano stati gli esperimenti di Hamburger a prospettare l’esistenza di un meccanismo di controllo dei centri nervosi in via di sviluppo da parte dei tessuti periferici e ad ispirare i lavori della Montalcini e di Levi, che infatti avevano lavorato su embrioni di pollo.
Sempre nel 1947, dopo i primi entusiastici risultati (rappresentati da esperimenti che confermavano questioni teoriche), si profilò il PROBLEMA TECNICO del potere di risoluzione delle procedure a disposizione per studiare in profondità processi neurogenetici terribilmente complessi, di fronte ai quali i due scienziati SONO TENTATI DI CAPITOLARE (
7), ammaliati dalla prospettiva alternativa di studiare i fagi (in piena fioritura negli anni ’40!).Il momento di titubanza viene , però, superato dalla Montalcini e da Hamburger grazie a quegli eventi, già citati come "imprevedibili e fortunati quanto null’altro mai", che apriranno una nuova era nella neuroembriologia sperimentale, AL DI LA’ DI OGNI PRONOSTICO. Cade, infatti, proprio ad hoc l’articolo di un allievo di Hamburger (Bueker) relativo ad un esperimento di trapianto di frammenti di tumore (sarcoma 180) di topo nella parete corporea di embrioni di pollo al 3° giorno di sviluppo in cui, a distanza di alcuni giorni, si evidenziano fibre nervose, penetrate nel tessuto tumorale. I risultati di questa temeraria procedura ideata(
8) da Bueker con l’intenzione di evidenziare eventuali risposte patogene indotte da cellule neoplastiche in tessuti sani, danno adito alla conclusione che le proprietà del sarcoma di topo sono, in qualche modo, favorevoli per la crescita delle fibre nervose.La Montalcini ed Hamburger si impegnano al riesame di questi risultati perché si rendono conto che "il fenomeno è assai complesso e i risultati sono SUSCETTIBILI DI NUOVE INTERPRETAZIONI": prospettando nuove ipotesi, fanno esperimenti che mettono in luce nuovi aspetti; più precisamente, le cellule neoplastiche (sarcomi 180 e 37 di topo), utilizzate in successivi trapianti su membrane corioallantoidee di pollo al 4°-6° giorno di sviluppo, in modo da avere una connessione solo per via circolatoria con i tessuti embrionali, forniscono l’evidenza (
9) che il fattore che promuove la crescita delle fibre nervose ha natura diffusibile.Per approfondire questi risultati la Montalcini pensa di ricorrere alle tecniche di culture in vitro e la mancanza di attrezzatura idonea nel laboratorio di Hamburger la induce a chiedere ospitalità accordatali all’università di Rio de Janeiro, dove l’amica (
10) Herta Meyer ha installato e dirige un’unità per le colture in vitro della massima efficienza. Così con l’ausilio di un laboratorio attrezzato, Rita Levi Montalcini può inaugurare il debutto dell’ancora ignoto NGF in vitro: tale tipo di saggio si rivelerà un’arma di incomparabile valore per scoprire la "carta di identità" del fattore di crescita neuronale e per dirimere la questione del suo meccanismo d’azione.A questo punto fa il suo ingresso l’elemento IMPREVISTO (
11). La stessa Montalcini , infatti spiega che gli esperimenti in vitro, CONTRARIAMENTE ALLE ATTESE, fecero loro riscontrare che lo stesso effetto prodotto dai sarcomi era provocato, seppur in forma più blanda, dai tessuti normali di topo, ma che l’incapacità di capire subito il significato di questo "effetto topo" fu tuttavia un vantaggio, perché li portò a concentrarsi, nei due anni successivi, sullo studio della natura chimica del fattore, prodotto dai due sarcomi di topo in quantità più elevate che dai tessuti murini normali.Si afferma così il ruolo, che sarà poi determinante, del biochimico(
12) Stanley Cohen che isola da due tumori, i sarcomi 180 e 37, una frazione nucleoproteica in grado di promuovere in vitro la crescita delle fibre nervose. Pensando che i responsabili dell’effetto promotore siano gli acidi nucleici della frazione nucleoproteica, Cohen tratta le fibre nervose con veleno di serpente, ricco dell’enzima fosfodiesterasi (che digerisce gli acidi nucleici), attendendosi la soppressione della formazione dell’alone di fibrille nel mezzo di incubazione. Invece egli assiste alla formazione di un denso alone di fibrille, attorno ai gangli nervosi coltivati in vitro, anche con piccolissime quantità di veleno di serpente aggiunte al mezzo di incubazione.In sostanza, in maniera assolutamente fortuita (
13), Cohen prova che il veleno di serpente è una fonte potentissima di attività promotrice di crescita delle fibre nervose.Ma la Montalcini commenta questi esiti asserendo che "se fu la fortuna ad attirare l’attenzione sull’imprevedibile presenza di due fonti di attività promotrice della crescita delle fibre nervose (sarcomi di topo e veleno di serpente), fu invece una ricerca calcolata a condurre ai successivi risultati", a partire, finalmente, dall’isolamento e dalla purificazione del NGF (operati dallo stesso Cohen), identificato in una proteina dimerica, di PM 44000, di cui inizia un’analisi amplissima e sistematica, in vivo e in vitro, finalizzate soprattutto ad accertarne lo spettro e i meccanismi d’azione. Man mano che si acquisiscono nuove conoscenze sull’NGF si cominciò a profilare l’ipotesi che lo sviluppo del sistema nervoso non sia esclusivamente codificato nei geni (
14), ma che sia suscettibile anche all’azione di una serie di componenti definiti comunemente FATTORI AMBIENTALI O EPIGENETICI.L’NGF, fattore diffusibile che agisce A DISTANZA, si colloca in questo contesto e la sua scoperta ha dimostrato, per la prima volta nella storia della neurobiologia, che esistono molecole specifiche deputate ad indurre la crescita di fibre nervose e guidarle verso cellule bersaglio.
Le notizie corsero subito, ma fino agli anni Ottanta l'NGF sembrò un fattore di crescita specifico per un sottogruppo di cellule nervose di scarso rilievo. Non si sapeva ancora che la molecola potesse agire anche sul sistema nervoso centrale. Quando poi Seiler e Schwab, due ricercatori svizzeri, nel 1984 trovarono che agiva nientemeno che sui sistemi cognitivi, solo allora il pubblico scientifico si fece attento, e centinaia di ricercatori si buttarono a capofitto sull'NGF dopo l’iniziale atmosfera di scetticismo (
15) che aveva accolto la scoperta di tale fattore. Si è così scoperto per esempio che il fattore agisce anche sul sistema immunitario ed endocrino.Così si è aperta tutta una serie di linee di ricerca che all'inizio non si sospettavano neanche. Con l'NGF la Montalcini aveva trovato la punta di un iceberg, ma c'era tutto un continente sommerso. Infatti ci sono tuttora enormi sviluppi che non erano prevedibili neppure quando nel 1986 ha avuto il Premio Nobel.
Essendo un componente di un sistema complesso di relazioni, una volta apparso sulla ribalta della ricerca biologica il fattore NGF ha spalancato la porta a diverse linee di ricerca, aventi come obiettivo la soluzione di questioni, in buona parte risolte attraverso il contributo di apporti molto diversificati (farmacologia, chirurgia, ecc.):
Con l’identificazione del NGF, presto seguito da un altro fattore denominato EGF (fattore di crescita dell’epidermide) da parte dello stesso Cohen, è venuta alla luce un’intera nuova classe di polipeptidi, denominati FATTORI DI CRESCITA. Questi polipeptidi regolano molte fasi dello sviluppo dell’organismo e una loro alterata funzione può provocare diversi tipi di tumori.
Proprio in seguito al rilevamento di una lista sempre più lunga di fattori di crescita polipeptidici (PGF), il peptide NGF entra nell’alveo di un notevolmente ampio ed articolato campo di indagine, che contempla lo studio delle trasformazioni cellulari indotte dai PGF nelle cellule riceventi, e nell’ambito del quale il NGF si profila come una molecole estremamente versatile e potenzialmente interessata alla genesi di neoplasie nei sistema nervoso centrale e periferico.
Negli anni ’70 le ricerche sui PGF (e quindi sul NGF) convergono in un campo della biologia solo apparentemente indipendente: lo studio degli oncogeni, con tutti i meccanismi molecolari successivi alla loro trascrizione.
Le conseguenze delle ricerche avviate dalla Montalcini e dai suoi collaboratori sono state dunque veramente enormi e sorprendenti, e al momento dell’assegnazione del Nobel ellaconfida in ulteriori sviluppi, anche se definisce questo promettente potenziale un "pronostico nell’imprevedibile", data la complessità degli ambienti in cui si muove il NGF (il sistema nervoso e il sistema immunitario, giacchè sono state riconosciute come cellule bersaglio, oltre ai neuroni, anche cellule non neuronali, quali le mastcellule, facenti parte, appunto, del sistema immunitario); secondo recenti studi, il sistema nervoso e quello immunitario sono in stretta relazione, ed esistono infinite possibilità di attivazione, dell’uno o dell’altro, da parte del NGF. In questo scenario, si prospetta l’utilizzo del NGF per curare disturbi cerebrali o di natura immunitaria.
In conclusione, lo svolgimento della storia del NGF può essere eloquentemente commentata con una frase di Hamburger: "…il fatto che questa scoperta, sbucata fuori da un problema apparentemente periferico (periferico in ogni senso della parola) abbia indicato così tante tracce nuove, è il contributo più grande che essa abbia dato alla neuroembriologia…".
A corroborare il quadro d’impegno e di abnegazione, commisto ad una necessaria dose di buona sorte, che sta dietro ad una "conquista scientifica", varrà ricordare che, quando Cohen nel 1954 si associò in questa ricerca, "pareva che l’isolamento e la caratterizzazione del Nerve Growth Factor sarebbe stata questione di pochi mesi" ma questo risultato fu conseguito solo sei anni più tardi, né a questo si sarebbe arrivati senza un’appassionata e continua dedizione al problema e senza una serie di fortunate scoperte, che aprivano insperati orizzonti ogni volta che la ricerca pareva arenarsi definitivamente.
Sicuramente la scoperta del NGF è stato accompagnato anche da un SERIE DI EVENTI FAVOREVOLI: il Nerve Growth Factor esercita un insieme di azioni descritte soltanto su determinati neuroni del sistema nervoso periferico e del cervello ed è quindi probabile che esistano altre molecole che abbiano funzioni simili sugli altri neuroni. Non è, infatti, pensabile che questo fattore sia l’unico nel suo genere e che tutti i miliardi di altri neuroni crescano, si sviluppino e vadano incontro a tutti i complessi processi del differenziamento esclusivamente tramite il programma genetico di cui sono portatori.
Se quindi L’NGF non può essere l’unico fattore neurotrofico esistente, perché a distanza di più di trent’anni dalla sua scoperta nessun altro polipeptide simile è emerso?
Si possono avanzare alcune spiegazioni: la prima è quella che possiamo definire IL PROBLEMA DELLA SORGENTE: la presenza di fonti bizzarre ma particolarmente ricche di NGF, come il veleno di serpente e i sarcomi di topo, è sicuramente una vera e propria manna per ogni biochimico che di solito dispone di concentrazioni di gran lunga più scarse della sostanza che vuole isolare.
Un secondo motivo è stata la messa a punto di un test biologico tanto semplice quanto veloce e incontrovertibile nella risposta. Possiamo quindi concludere che una quantità abbondante della sostanza in esame e un saggio di attività veloce e specifico (
16) costituiscono le premesse necessarie, anche se non sufficienti, per il successo finale. Sfortunatamente , la prima delle due condizioni non si è più ripresentata e la seconda ha favorito di rado il neurobiologo nella misura con la quale si è presentata nel caso del NGF.La cura di allergie, del morbo di Alzheimer, della sclerosi multipla e della schizofrenia è il prossimo obiettivo delle ricerche sulle sconfinate risorse del fattore di crescita delle cellule nervose scoperto dal Nobel Rita Levi Montalcini. Dopo i primi successi dell'uso di NGF per riparare i danni della cornea, il futuro di questo ambito della ricerca aperta dal Nobel italiano e' quanto mai ricco di attese.
Il numero speciale del mensile "Le Scienze" uscito in occasione dei 90 anni di Rita Levi Montalcini prevede per l’NGF "UN FUTURO ENTUSIASMANTE QUANTO DIFFICILE DA CIRCOSCRIVERE ENTRO LIMITI PRECISI, COSI' COME E' SEMPRE STATA LA SUA STORIA, PIU' SIMILE AD UN'INDAGINE POLIZIESCA, RICCA DI COLPI DI SCENA E NUOVE PISTE, CHE AD UNA CLASSICA RICERCA SCIENTIFICA".
Bibliografia
Annuario della EST ENCICLOPEDIA DELLA SCIENZA E DELLA TECNICA
Rita Levi Montalcini " Il fattore di crescita della fibra nervosa 35 anni dopo" ( testo integrale della Nobel Lecture tenuta dalla Montalcini in occasione del conferimento del Nobel per la medicina )
Numero 369 SPECIALE maggio1999
"Funzioni ed applicazioni del fattore di crescita nervoso" pag. 45-90
EDIZIONE GARZANTI ( saggi rossi) novembre 1992
PARTE SECONDA pag.109-183
Note