Cosa sono gli “organi su chip”?
Organ-on-chip (OoC) o sistemi microfisiologici (MPS) sono sistemi microfluidici che consentono la crescita di cellule per modellare tessuti biologici. Queste piattaforme combinano un ambiente multicellulare con una struttura bidimensionale o tridimensionale e stimoli meccanici per riprodurre l'ambiente fisiologico di un organo.
Perché il 3D è importante nella coltura cellulare?
Attualmente, i test in vitro vengono condotti principalmente su un unico tipo di cellula, coltivata in 2D, in fiasche o piastre rigide e piatte in polistirene. Anche se tali tecniche si sono rivelate utili per decifrare alcuni fenomeni, è chiaro che non riproducono l’ambiente in cui si trovano le cellule all’interno di un organismo. Nel corpo umano, gli organi sono costituiti da molteplici tipi di cellule, disposte in una struttura tridimensionale e circondate dalla matrice extracellulare e da altri tessuti che sono solitamente molto più morbidi della plastica. Nei monostrati 2D, la morfologia e la polarità delle cellule sono forzate e non rappresentative della realtà. Inoltre, i vincoli in termini di accesso ai nutrienti e di diffusione o migrazione sono inesistenti in 2D e, ancora una volta, non riproducono ciò che accade all’interno del corpo. Anche le interazioni cellulari con l’ambiente o con altri tipi di cellule sono assenti nei modelli 2D.
Perché i segnali meccanici sono importanti nello sviluppo cellulare?
Come illustrato in precedenza, nell’organismo i tessuti sono sottoposti a diversi tipi di forze meccaniche provenienti dall’ambiente circostante. Alcuni organi, come i muscoli, sono sottoposti a cicli di compressione e stiramento che contribuiscono allo sviluppo e al destino delle cellule. Senza tali forze meccaniche, la cellula si comporterebbe in modo diverso; è quindi importante riprodurre tali forze in un modello in vitro tridimensionale per simulare al meglio le patologie e tenere conto di questo movimento naturale anche nello sviluppo delle terapie. Non solo occorre considerare la natura della stimolazione biomeccanica, ma anche la sua ampiezza, frequenza e durata.
La circolazione sanguigna è un altro elemento della biomeccanica del corpo. Lo sforzo di taglio indotto dal flusso all’interno dei capillari, dei vasi e delle arterie ha un impatto profondo sulle cellule endoteliali e sul rimodellamento tissutale complessivo. Pertanto, è fondamentale riprodurre un tipo di flusso sanguigno all’interno di questi nuovi modelli sia per ragioni meccaniche che biologiche. Infatti, il sangue trasporta sostanze nutritive ai tessuti e alle cellule, e la presenza di un flusso dinamico consente un apporto costante di sostanze nutritive fresche, al contrario di una coltura statica in cui lo stesso terreno di coltura può rimanere inalterato per diversi giorni. Allo stesso modo, i prodotti di scarto del metabolismo cellulare verranno continuamente rimossi e non si accumuleranno nella coltura cellulare, il che potrebbe indurre tossicità nelle cellule.
Thompson CL, Fu S, Heywood HK, Knight MM e Thorpe SD (2020) Stimolazione meccanica: un elemento cruciale dei modelli “organ-on-chip”. Front. Bioeng. Biotechnol. 8:602646. doi: 10.3389/fbioe.2020.602646
Perché vengono sviluppati gli “organi su chip”?
La necessità di tali strumenti nella ricerca è emersa nel processo di scoperta di nuovi farmaci per rispondere a diverse aspettative non ancora soddisfatte.
- Ridurre i costi e i tempi: attualmente possono essere necessari fino a 20 anni e miliardi di dollari per immettere un farmaco sul mercato
- Ridurre al minimo la sperimentazione sugli animali: i test preclinici di tossicità ed efficacia dei farmaci candidati vengono condotti su animali quali roditori e primati. Ogni anno vengono utilizzati milioni di animali per riprodurre modelli della biologia umana, il che solleva questioni sia di natura etica che di rilevanza scientifica.
- Ottenere modelli più pertinenti della biologia umana:è necessario un modello umano sistemico per testare la tossicità e l’efficacia in condizioni più fisiologiche rispetto agli attuali modelli umani in vitro oin vivosugli animali.
Si nutrono grandi speranze che lo sviluppo e l'utilizzo di nuovi modelli umani in 3D possano contribuire ad aumentare il tasso di successo dei test sui farmaci, riducendo al contempo i costi e i tempi di sviluppo dei farmaci.
Per quali applicazioni è possibile utilizzare la tecnologia “organ-on-chip”?
La tecnologia “organ-on-chip” può essere impiegata in una vasta gamma di applicazioni lungo l’intero processodi sviluppo dei farmaci, compreso lo studio fondamentale della barriera emato-encefalica. Possono essere impiegati per modellare le malattie al fine di decifrarne alcuni meccanismi, ma anche per testare la sicurezza e il metabolismo dei farmaci candidati. Un obiettivo finale dello sviluppo degli «organ-on-chip» sarebbe quello di utilizzarli perla medicina personalizzata, impiegando le cellule specifiche del paziente sulle quali si potrebbero testare diverse molecole per scegliere il trattamento più efficace per il singolo paziente. Nel complesso, per un utilizzo ottimale e per favorire l’adozione degli «organi su chip» da parte dei ricercatori, è necessario sviluppare modelli integrabili con le tecniche di ricerca classiche, quali l’imaging ad alta risoluzione, l’analisi dell’espressione dell’RNA e delle proteine o la misurazione dei biomarcatori secreti dalle cellule.
Riferimenti:
- https://www.upmbiomedicals.com/resource-center/learning-center/what-is-3d-cell-culture/2d-versus-3d-cell-culture/
- Franzen N, van Harten WH, Retèl VP, Loskill P, van den Eijnden-van Raaij J, IJzerman M. Impatto della tecnologia “ organe sur puce ” sui costi di ricerca e sviluppo nel settore farmaceutico. Drug Discov Today. Settembre 2019;24(9):1720-1724. doi: 10.1016/j.drudis.2019.06.003. Pubblicazione elettronica 8 giugno 2019. PMID: 31185290.
- Thompson CL, Fu S, Heywood HK, Knight MM e Thorpe SD (2020) Stimolazione meccanica: un elemento cruciale dei modelli “organ-on-chip”. Front. Bioeng. Biotechnol. 8:602646. doi: 10.3389/fbioe.2020.602646
Coltura cellulare 3D: vantaggi e svantaggi
[…] Gli “organ-on-chip”, caratterizzati da diverse camere/canali interconnessi che consentono la coltura mista di diversi tipi di cellule, hanno aperto la strada allo studio delle interazioni tra organi, delle funzioni secretorie e della coltura cellulare dinamica; […]