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Il corpo umano su un chip: un sistema multi-organo per testare i farmaci

Il microchip riproduce la fisiologia umana di organi connessi e interdipendenti ed è “personalizzabile” con le cellule dei pazienti: un nuovo strumento al servizio della medicina di precisione.

Il corpo umano miniaturizzato su un chip grande quanto un vetrino da microscopio: è il visionario progetto di un gruppo di scienziati dell’Irving Medical Center della Columbia University, pubblicato su Nature Biomedical Engineering.

I ricercatori hanno collegato su un unico chip cellule mature di cuore, fegato, osso e pelle, con una rete di canali che mimano i vasi sanguini. Quattro tipi di tessuti derivati da uno stesso paziente, con morfologie, funzioni e “identità” diverse, ma collegati a una rete vascolare comune – una riproduzione in scala di una parte del corpo umano, che apre a nuovi scenari di medicina personalizzata.

Lo scopo è studiare l’efficacia e gli effetti collaterali dei farmaci a livello sistemico, su una varietà di tessuti e organi umani, ma fuori dal corpo del paziente.

Gli organi su chip

Solo un candidato farmaco su 10.000 riesce ad arrivare allo sviluppo clinico, e solo uno su 10 supera con successo tutte le fasi delle sperimentazione. Una molecola può superare brillantemente sia i test in vitro, sulle linee cellulari, sia quelli in vivo sui modelli animali, ma non avere alcun effetto o essere addirittura tossica per gli esseri umani.

Questo non vuol dire che la sperimentazione animale non funzioni o non sia importante, ma esistono metodi complementari che permettono di testare il farmaco in un contesto più simile a quello umano.

Una possibilità, ad esempio, è progettare organi in miniatura, combinando le cellule dei tessuti e dei vasi sanguigni con degli speciali microchip. Non più grandi di un vetrino da microscopio, riproducono in scala la struttura e la funzione dell’organo reale e possiedono una rete capillare di canalicoli che mimano il flusso sanguigno.

Il corpo umano su chip

I cosiddetti organ-on-a-chip, però, sono solo il primo passo verso quello che è stato simpaticamente definito Homo chippienso Human-on-a-chip”. Nel corpo umano, ciascun organo è isolato, ma anche connesso con tutti gli altri. Un farmaco non interagisce solo con il bersaglio, ma viene metabolizzato dal fegato, assorbito dall’intestino o escreto dai reni.

Se lo scorso decennio ha visto proliferare i singoli organi su chip (cuore, polmoni, fegato, reni, intestino, persino il cervello), ora è tempo di metterli insieme e creare una versione miniaturizzata di tutto il corpo umano e delle sue complesse interazioni.

I chip multiorgano potrebbero rivoluzionare il mondo medico e velocizzare le procedure, ma simulare un corpo umano o anche solo un circuito di tre o più organi non è affatto semplice. Il team dell’Irving Medical Center della Columbia University, guidato da Vunjak-Novakovic, ha alle spalle anni di ricerca sugli organ-on-chip e conosce bene le sfide legate alla loro progettazione. Il sostituto del sangue, ad esempio, deve fluire in un ordine e in una quantità precisi attraverso i vari organi, e deve trasportare a ogni organo i nutrienti più adatti.

Ogni organo deve poter comunicare con gli altri attraverso il flusso sanguigno comune, ma anche mantenere la propria unicità, ossia le caratteristiche strutturali e fisiologiche che lo rendono diverso dagli altri organi.

Photo by jesse orrico on Unsplash

Organi connessi e interdipendenti

Il microchip realizzato da Vunjak-Novakovic e colleghi è un sistema multiorgano, poiché contiene le cellule di quattro tessuti: cuore, fegato, ossa e pelle, con proprietà strutturali e funzionali molto diverse tra loro.

È composto da quattro “moduli”, uno per tessuto. All’interno di ogni modulo, i ricercatori hanno predisposto una “nicchia”, dove le cellule di ciascun tessuto mantengono la loro fedeltà biologica in un contesto fatto su misura per loro.

Hanno addirittura riprodotto la morfologia e la posizione dei singoli organi: «il tessuto cardiaco è sospeso in maniera verticale, il tessuto cutaneo si trova nella sezione superiore per ricreare l’interfaccia aria-liquido e il fegato e i tessuti ossei si trovano ​​nelle sezioni inferiori», spiegano i ricercatori.

Tutti gli organi comunicano con una rete di microscopici canali, dove un sostituto del sangue trasporta citochine, fattori di crescita e molecole segnale da un organo all’altro. Una barriera semipermeabile di cellule endoteliali – le stesse che formano l’interno dei vasi sanguigni – separa però ogni organo dalla rete vascolare comune: così ciascuno mantiene le proprie caratteristiche strutturali e funzionali, per settimane o mesi.

I ricercatori hanno introdotto nel flusso sanguigno anche cellule del sistema immunitario, i monociti, che nel caso di danno ai tessuti o di una malattia, escono dalla circolazione e raggiungono i distretti dove viene richiesto il loro intervento.

Photo by Nastya Dulhiier on Unsplash

I test sui farmaci

I chip multiorgano aprono la strada a nuovi scenari di medicina personalizzata, che mettono il paziente al centro della strategia terapeutica. I ricercatori hanno derivato ciascuno dei quattro tessuti da una stessa linea di cellule staminali pluripotenti indotte (IPSC), a partire da un piccolo campione di sangue. Simili alle staminali embrionali, anche le IPSC sono cellule non ancora differenziate, che possono dare origine alla maggior parte dei tipi cellulari dell’organismo.

Ogni cellula del nostro corpo può essere riprogrammata in laboratorio per formare le IPSC e ogni chip può essere personalizzato con le cellule di un unico paziente: una riproduzione in scala, fedele biologicamente, di come i suoi organi interagiscono tra loro e con la terapia.

I ricercatori hanno testato, ad esempio, la reazione a un noto farmaco antitumorale, la doxorubicina. Gli effetti sui tessuti hanno riprodotto le stesse reazioni avverse segnalate negli studi clinici, che riguardano soprattutto il cuore, ma anche il fegato e la cute.

Il chip multiorgano ha predetto con precisione la cardiotossicità e la cardiomiopatia che spesso richiedono ai medici di ridurre i dosaggi terapeutici di doxorubicina o addirittura di interrompere la terapia, ha spiegato Vunjak-Novakovic.

Tutte le applicazioni

Le applicazioni del chip spazieranno dall’oncologia alle malattie infettive o quelle neurodegenerative. I ricercatori stanno mettendo a punto varianti del chip multi-organo per studiare, in contesti personalizzati e specifici per il paziente, il cancro al seno e le metastasi del cancro alla prostata, la leucemia, gli effetti delle radiazioni sui tessuti umani, gli effetti di SARS-CoV-2 su cuore, polmone e sistema vascolare, gli effetti dell’ischemia sul cuore e sul cervello e la sicurezza e l’efficacia dei farmaci.

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