Lazzaro Spallanzani, cui ricorre il bicentenario della morte, è considerato il padre della Biologia sperimentale, una sorta di "Galileo della Biologia". Le sue scoperte relative alla biologia della riproduzione sono, ancor oggi, estremamente importanti. Egli dimostrò che le uova d rana non iniziano lo sviluppo embrionale spontaneamente (come allora si riteneva), ma che era necessaria la presenza del "fluido seminale" maschile.
Spallanzani sapeva bene della presenza nel fluido seminale di numerosi "animalculi" (oggi noi sappiamo che sono spermatozoi), ma non ritenne che avessero un'importanza fondamentale nel processo di fecondazione. In realtà una rivisitazione degli esperimenti che condusse ci mostra come la soluzione del problema del coinvolgimento o meno degli animalculi nel dare inizio allo sviluppo dell'embrione fosse davanti a suoi occhi. Possiamo dunque considerare Spallanzani il primo scienziato che tentò di ottenere lo sviluppo partenogenetico (cioè lo sviluppo di un embrione, che contiene solamente il patrimonio genico femminile) di animali. Il suo successo nell'ottenere dei cuccioli di cane trasferendo e depositando del fluido seminale all'interno della vagina di una femmina in estro pose le fondamenta per l'inseminazione artificiale.
Ma è solo nella seconda metà del secolo XIX - grazie a scienziati come Buetschelli, Van Beneden, Hertwig, Herman e Fol - che venne descritto il ruolo biologico svolto dagli spermatozoi e dalle cellule uovo nella fecondazione e nello sviluppo embrionale e vennero svelati i segreti della biologia della riproduzione. Le tecnologie impiegate nell'inseminazione artificiale, sia per gli animali domestici che per la specie umana, migliorarono progressivamente durante il XX secolo, di pari passo con il miglioramento delle conoscenze in biologia della riproduzione. Il primo tentativo di fecondare oociti di mammifero in provetta venne eseguito da S. L. Schenk nel 1878: egli isolò oociti dagli ovari del porcellino d'India e li pose sulle mucose di pezzetti di uteri coltivati in provetta, poi li inseminò con spermatozoi prelevati dall'epididimo (una porzione delle vie genitali maschili attraverso la quale lo spermatozoo deve passare prima di essere eiaculato e dentro la quale viene immagazzinato). Egli osservò alcuni eventi tipici del processo di fecondazione: cambiamenti nella forma e struttura del nucleo, l'espulsione del globulo polare (il processo meìotico attraverso il quale il gamete femminile riduce, fino a dimezzarlo, il suo contenuto genetico) e le prime divisioni cellulari che avvengono con l'inizio dello sviluppo embrionale. L'embrione però non proseguì lo sviluppo embrionale dopo le primissime divisioni cellulari.
Negli anni successivi, molti ricercatori sostennero di aver ottenuto con successo la fecondazione in provetta sia con gameti di coniglio che con gameti umani. Ma prove certe di questi esperimenti non furono mai mostrate. Furono C. Thibault (1954) e M. C. Chang (1959) a presentare per primi evidenze inequivoche, con esperimenti ripetibili. sulla possibilità di ottenere fecondazioni in provetta. Questi studi vennero condotti nel coniglio, utilizzando degli spermatozoi "capacitati" prelevati dalle vie genitali femminili durante l'ascesa verso l'ovidotto dove incontravano gli oociti (lo spermatozoo deve andare incontro a modificazioni delle membrane e del flagello per poter essere in grado di fecondare un oocita questi cambiamenti fisiologici e strutturali del gamete maschile prendono appunto il nome di capacitazione ed avvengono durante il passaggio attraverso le vie dei genitali femminili).
Il successo dell'esperimento dipese proprio da questo stratagemma, cioè dall'aver utilizzato spermatozoi che erano già stati modificati durante il loro passaggio lungo le vie genitali femminili. L'impiego di spermatozoi prelevati dalle vie genitali maschili, come aveva provato Schenk nel 1878, non avrebbe dato risultati positivi.
Quando iniziai i miei studi nell'ambito della biologia della riproduzione nel laboratorio di M. C. Chang, nel 1960, tutti pensavano che la capacitazione degli spermatozoi potesse avvenire solamente nelle vie genitali femminili. Utilizzando come modello di studio il criceto, Chang, e io dimostrammo che in realtà gli spermatozoi, prelevati dall'epididimo o dal deferente. possono essere capacitati in provetta, fuori dalle vie genitali femminili e che questi spermatozoi possono essere poi aggiunti alle cellule uovo per essere fecondate. In seguito, venne dimostrato che gli oociti di molte specie di mammiferi possono essere facilmente fecondati utilizzando spermatozoi capacitati in provetta.
Il titolo del mio primo progetto di ricerca finanziato nel 1967 dall'Istituto Nazionale di Sanità degli Stati Uniti era "Studi sulla fecondazione in vitro". A quei tempi pochissimi ricercatori capirono l'importanza che gli studi di biologia della riproduzione avrebbero avuto nelle applicazioni odierne sia nell'industria dell'allevamento che nella fecondazione assistita umana. Per darvi un'idea delle difficoltà che esistevano allora per chi doveva decidere se avventurarsi nel campo della fecondazione assistita vi riporto due episodi che mi sono capitati.
Tra i pochi ricercatori che avevano deciso di dedicare il loro lavoro alla comprensione dei fenomeni che regolavano la fecondazione c'erano Robert Edwards (Gran Bretagna) e Alex Lopata (Australia). Quando incontrai per la prima volta Edwards nel 1974, gli chiesi se avrebbe continuato il suo lavoro nell'ambito della "fecondazione in vitro". Lui rispose di sì. Quando lavorai con Lopata al Royal Women's Hospital in Melbourne, il suo laboratorio di fecondazione in vitro, prima utilizzato come sgabuzzino per le scope, era molto piccolo. Così piccolo che solamente una persona alla volta poteva entrarci. Allora il direttore di quel Dipartimento mi chiese se secondo me dovevano continuare a investire tempo, denaro e risorse umane nella fecondazione in vitro umana, considerati i continui insuccessi che avevano avuto. Essi decisero poi di continuare.
Quando Edwards annunciò al mondo la nascita della prima bambina, nata con tecniche di fecondazione in vitro, sapevo chi avrebbe ottenuto il secondo successo, proprio perché allora solo due erano i gruppi che lavoravano sulla fecondazione in vitro umana. L'efficienza nella fecondazione in vitro umana era allora molto bassa, ma col passare degli anni e l'aumento del numero di ricercatori essa aumentò stabilmente.
La gente comune all'inizio ebbe paura che la fecondazione in vitro potesse generare un numero più elevato di bambini con anomalie cromosomiche proprio perché con essa si impediva la normale selezione degli spermatozoi che avviene durante il loro passaggio lungo le vie genitali femminili nella fecondazione naturale. Le stesse paure vennero poi espresse sia dalla gente comune che da alcuni scienziati quando nuove tecnologie riproduttive (ad esempio, l'iniezione subzonale o intracitoplasmatica dello spermatozoo, termini tecnici che stanno ad indicare la possibilità di trasferire, utilizzando degli strumenti molto sensibili, gli spermatozoi direttamente all'interno della cellula uovo) vennero introdotte sia per migliorare il successo della fecondazione in vitro, sia per garantire la fecondazione anche in casi di sterilità quasi completa. Queste nuove tecniche ebbero col tempo un enorme successo, aumentando significativamente l'efficienza della fecondazione in vitro. E' chiaro che l'impiego di questa tecnologia evita la selezione degli spermatozoi, ma a oggi le evidenze sperimentali dimostrano che l'incidenza di difetti genetici alla nascita non è superiore a quella che riscontriamo nelle nascite successivamente a gravidanze naturali.
La tecnica del trasferimento intracitoplasmatico dello spermatozoo viene chiamata anche Iesi (Intra Cytoplasmic Sperm Injection) ed è stata tentata per la prima volta nel riccio di mare da Hiramoto, poi nella rana e successivamente nel primo mammifero, il criceto, nel mio laboratorio (1976). Allora noi provammo questi esperimenti per pura curiosità scientifica. Ci domandammo cosa sarebbe successo se avessimo iniettato uno spermatozoo prelevato dal testicolo (che non è in grado di fecondate un oocita) all'interno di un oocita di criceto. E cosa sarebbe successo se avessimo iniettato uno spermatozoo di una specie in un oocita di un'altra specie. E se invece avessimo iniettato degli spermatozoi che sapevamo non essere più vitali, in altre parole morti?
Tentammo questi esperimenti e trovammo che il nucleo dello spermatozoo era, nella maggior parte dei casi, in grado di iniziare le prime fasi dello sviluppo embrionale, anche se poco dopo si bloccava. Alcuni ricercatori compresero subito le implicazioni per la ricerca di base - volta alla comprensione dei meccanismi che governano le prime fasi dello sviluppo embrionale - ma la maggior parte dei clinici ignorò questi studi. La possibilità che la Iesi possa essere utilizzata nelle cliniche che trattano l'infertilità umana venne per la prima volta dimostrata da Lanzendorf nel 1988 che fotografò i primi momenti dello sviluppo di un embrione umano ottenuto con questa metodica. Questi embrioni però non furono in grado di proseguire e completare lo sviluppo embrionale. Nel 1992 nacquero quattro bambini normali in un ospedale degli Stati Uniti successivamente all'impiego della Iesi da parte di una équipe di medici diretta dal Giampiero Palermo. Da allora questo metodo di fecondazione assistita è diventato il più impiegato nei casi severi di infertilità maschile. La Iesi può essere impiegata oltre che negli studi di base sui primi stadi dello sviluppo embrionale, anche nella fecondazione assistita, non solo umana ma anche animale e per il recupero di specie in via di estinzione. Tutti i ricercatori coinvolti in studi sulla fecondazione hanno prima o poi sognato di poter coltivare in provetta oociti e spermatozoi senza dover sacrificare molti animali. Se solo potessimo mantenere, magari in coltura, un singolo ovario o testicolo oppure le cellule che compongono questi organi, potremmo prelevare da queste colture un numero illimitato di spermatozoi o oociti, più o meno quando ne abbiamo bisogno per i nostri studi. Recenti successi nella coltura di oociti per tutte le loro fasi di maturazione e anche la produzione di spermatozoi maturi, trasferendo cellule germinali maschili allo stato primordiale (spermatogoni) di una specie nei testicoli di altre specie, fanno sicuramente sperare che questo sogno possa avverarsi. Ci sono uomini e donne sterili che non hanno cellule germinali nelle loro gonadi oppure le hanno perse (in seguito a malattie oppure incidenti). Un giorno potrà addirittura diventare possibile riprogrammare le loro cellule somatiche in modo che diventino cellule germinali. Sono convinto che la fecondazione assistita sia una nobile missione, ma le tecniche che utilizza devono essere impiegate nel modo corretto altrimenti non guadagnerà mai il necessario supporto del pubblico. (Traduzione di Maurizio Zuccotti)