Organs-on-chips: la ricerca si fa 3D

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Oggi trattiamo un argomento di assoluta avanguardia in ambito bio-ingegneristico e di ricerca medica. Per farlo, ho deciso di contattare una stimata collega ed amica, la dottoressa Elisabetta Bottaro.

Laureata con 110 e lode in farmacia presso l’Università degli Studi di Ferrara, la dottoressa Bottaro è ora al primo anno del suo dottorato di ricerca in bio-ingegneria presso la facoltà di Ingegneria e Sviluppo dell’Università di Southampton, università che da sempre occupa la top ten dei migliori istituti di ricerca della Gran Bretagna secondo il Times.

Allora, dottoressa Bottaro, il titolo promette di parlare di un argomento intrigante. Iniziamo allora dal principio, ci spieghi di cosa stiamo parlando.

Per capire l’importanza di questi organs-on-chips, è fondamentale fare una premessa a proposito dei trial clinici. Oggi infatti, i trial clinici per lo sviluppo di una singola molecola, costano miliardi di sterline alle aziende farmaceutiche. In questo conto devono essere considerati non soltanto gli aspetti farmaco-tecnologici, ma anche le ore di lavoro del personale, le licenze etiche e l’uso di costosi strumenti. Questi studi poi attraversano tre fasi caratteristiche e comuni a tutti i trial:

– Fase 1: studio in vitro
– Fase 2: sperimentazione animale
– Fase 3: sperimentazione umana.

Con la prima fase in vitro si valuta innanzitutto la non tossicità su cellule umane sane e, successivamente, l’attività farmacologica, ovvero l’efficacia del farmaco nel trattare una determinata patologia.

Quando i test in vitro hanno esito positivo, si passa alla sperimentazione animale; oltre ai costi economici, la sperimentazione presenta pure costi in termini di sacrificio di animali.

Tuttavia, questi studi, i così detti studi di seconda fase, hanno dimostrato di non essere in grado di mimare alla perfezione la fisiologia umana. Per questo motivo, nell’ultimo decennio, è nato un nuovo campo di ricerca, con il proposito di sviluppare sistemi chiamati bio-mimetici, in grado di replicare la fisiologia umana ricorrendo ad un dispositivo ingegnerizzato, più simile all’uomo di quanto non sia il modello animale.

Questi dispositivi stanno dimostrando la capacità ed il potenziale di replicare la fisiologia ed il micro-ambiente degli organi umani e possono essere impiegati come alternativa migliore rispetto ad i test in vitro già oggi, e, ci auguriamo in un futuro molto vicino, potranno sostituirsi efficacemente anche al modello animale. In questo modo, non solo ridurremo il numero di animali sacrificati per la ricerca, ma anche i costi economici ad essi legati.

Questi dispositivi si chiamano appunto organs-on-chips.

Per capire come sono strutturati, possiamo definirli come l’equivalente di un microchip di computer, al cui interno sappiamo esserci dei circuiti che conducono elettricità e quindi un segnale. Negli organs-on-chips questi circuiti, anziché essere fatti di stagno o rame, sono composti di materiali siliconici biocompatibili e trasparenti nei quali sono disposte delle cellule umane, riuscendo così a mimare efficacemente la vera microstruttura di un organo o di un tessuto. Per terminare la metafora, all’interno di questi canali, invece di circolare elettricità, scorrono dei fluidi, che possono essere fluidi corporei oppure fluidi sintetici creati con le caratteristiche chimico-fisiche desiderate dal ricercatore.

Ecco allora che questi piccoli dispositivi portatili, della dimensione di circa 5 cm, hanno la capacità di riprodurre in modo ingegnerizzato l’attività fisiologica delle cellule come si trattasse di un organo vero e proprio.

Un’immagine assolutamente nitida. Ma veniamo al punto saliente: che vantaggi offrono questi dispositivi?

Il vantaggio saliente rispetto alla classica coltura in vitro è rappresentato dal fatto che, in vitro, si crea uno strato monocellulare, vale a dire un tappeto di una sola cellula di spessore, che rappresenta una struttura statica che limita enormemente la quantità e la qualità delle indagini che possiamo compiervi.

Negli organs-on-chips invece creiamo ambienti tridimensionali dove possiamo inserire dei liquidi e generare dei flussi, ricreando un ambiente “vivo”. Inoltre, sfruttando la bio-ingegneria, possiamo “editare” questi chip, possiamo cambiarne le dimensioni, la struttura, il diametro dei canali, le caratteristiche chimico-fisiche dei flussi, riprodurre stati patologici, interporre membrane con permeabilità diverse, inserire all’interno dei fluidi anticorpi specifici e mille altre cose ancora.

Insomma, diventa possibile creare un ambiente dinamico con qualunque variabile si desideri e questo è certamente un enorme vantaggio.

Una prospettiva che sembra meravigliosa. Quindi, mi dica, qual è attualmente lo stato dell’arte, cioè quanto di quello che lei ci sta dicendo è già stato messo in pratica?

Attualmente si tratta di sistemi in via di sviluppo, verso i quali tuttavia c’è un fortissimo e sempre crescente interesse. In particolare Harvard, tanto per citare un colosso della ricerca, sta creando il primo polmone-on-chip, una struttura estremamente raffinata nella quale sono addirittura arrivati a simulare il movimento dell’aria durante gli atti respiratori, usando un canale con all’interno aria ambiente, anziché liquido.

Un esempio straordinario di quanto questi chip siano personalizzabile attraverso dei processi ingegneristici, plasmandoli alle nostre specifiche esigenze.

Altri organs-on-chips attualmente in sviluppo sono l’intestino, nei quali si coltivano anche i batteri della microflora intestinale per creare un ambiente ancora più simile a quello reale, oppure il fegato, che rappresenta un interesse spropositato essendo l’organo principale adibito al metabolismo dei farmaci.

Essendo amici e colleghi da diversi anni, so che anche lei sta lavorando su questi organs-on-chips. Ci dice qualcosa a proposito della sua ricerca?

Nel mio progetto di ricerca stiamo cercando di sviluppare due modelli innovativi di organs-on-chips, uno a proposito del tessuto vascolare venoso, mentre il secondo si occupa di tessuto vascolare epatico.

Il primo modello è una vena-on-chips. Purtroppo rappresenta ancora un campo un po’ negletto in quest’ambito di ricerca, dove viene prediletto il versante arterioso, che per numero di patologie è certamente dominante.

Il nostro intento è quindi di riuscire a costruire una vena artificiale da utilizzare per fare test inerenti in particolare la terapia delle vene varicose. Ad oggi, in laboratorio, siamo in grado di riprodurre sia una vena sana, che una vena varicosa, patologica, con tutte le caratteristiche principali delle vene varicose: un profilo allargato, valvole non continenti, una perdita di elasticità tipicamente causata dal reflusso sanguigno causato da incompetenza valvolare.

L’obiettivo che ci siamo posti è quello di arrivare a ricreare una vena varicosa partendo dall’angiografia di un paziente. L’immagine angiografica verrà rielaborata al PC, attraverso programmi CAD e la struttura stampata con stampanti 3D, creando quindi un reticolo tridimensonale di silicone biocompatibile con una struttura perfettamente identica a quella del paziente. Su questa impalcatura verranno coltivate cellule estratte da vene di cordone ombelicali, che vengono periodicamente donate al nostro istituto, così da ricreare anche lo strato cellulare endoteliale, ovvero la parete interna della vena. A questo punto si potrà testare il farmaco di interesse, nel nostro caso un agente sclerosante, e studiarne l’effetto. E qui abbiamo il grandissimo vantaggio rispetto alla sperimentazione su cavia: non dobbiamo tagliare, incidere o fare danni, ma trattandosi di un dispositivo di silicone trasparente è sufficiente metterlo in appositi microscopi per analizzare immediatamente l’effetto sortito dal farmaco, fattore che abbatte notevolmente anche i tempi necessari per la sperimentazione.

Il secondo modello di cui ci occupiamo prevede di realizzare un network di micro-arteriole, piccoli vasi sanguigni arteriosi poco più grandi di un capillare, utili allo studio dei tumori epatici, nella speranza di superare il modello attualmente utilizzato, che è il coniglio.

In particolare, ci interessiamo di testare una terapia basata su micro-beads, ovvero sfere che vengono utilizzate nella terapia embolizzante. Esse possono avere diverse dimensioni (100-900 µm, quindi inferiori al millimetro) e vengono iniettate nelle micro-arteriole epatiche a causare un vero e proprio embolo; causano infatti un’ostruzione a livello dei capillari del loro stesso calibro e li andranno a rilasciare un farmaco anti-tumorale che in questo caso è la doxorubicina.

Di nuovo, cosa facciamo grazie alla tecnologia on-chips? Ricostruiamo in materiale biocompatibile un network di micro-arteriole, all’interno del quale si coltivano le cellule endoteliali arteriolari epatiche, e vi si iniettano le sfere contenenti il farmaco. Abbiamo sia un modello fisiologico per lo studio della tossicità che modelli patologici, contenenti cellule tumorali, per lo studio dell’efficacia. Una volta approdati sul microscopio, possiamo utilizzare tantissime tecniche di biologia molecolare per studiare l’efficacia del farmaco, senza temere effetti tossici o di danneggiare in qualche modo il tessuto dato che, ribadisco, lavoriamo su chips di silicone, un materiale completamente inerte.

Ancora, possiamo fare centinaia di sperimentazioni a prezzi molto contenuti, perché produrre questi dispositivi costa meno di 50 sterline e non si sacrificano animali. Inoltre, l’imaging al microscopio viene fatto immediatamente, senza dover aspettare tempi tecnici che si hanno invece sulla cavia.

Insomma, capite bene che le prospettive legate a questi organs-on-chips sono veramente sconfinate e risultati che stiamo ottenendo già oggi, in decine di Università ed istituti di ricerca sparsi intorno al globo ci autorizzano ad essere molto fiduciosi nei confronti di una tecnologia che soli 10 anni fa appariva fantascientifica.

Alberto Caranti
Laureato in Medicina e Chirurgia ad Ottobre 2017 presso l'Università di Ferrara, dove ho discusso una tesi sulla chirurgia robotica in Otorinolaringoiatria. Attualmente lavoro come Medico di Guardia presso una struttura privata a Ferrara e collaboro con i reparti di ORL di Forlì e del SPDH di Faenza. Ho pubblicato oltre 20 fra articoli ed abstract congressuali inerenti medicina interna ed otorinolaringoiatria.