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Replicare organo su microchip: una nuova sfida per l’ingegneria biomedica

Modellizzare un intero organo umano in un supporto che ha la dimensione di una chiavetta USB: sembra fantascienza ma invece è già realtà. Si tratta dell’emergente tecnologia Organ-on-Chip.

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La tecnologia Organ-on-Chip consiste nel costruire microchip con canali microfluidici cavi, rivestiti di vascolarizzazione artificiale umana, in cui vengono seminate cellule specifiche di un certo organo e vengono applicati sforzi meccanici fisiologici caratteristici di quell’organo. In questo modo, si riesce a replicare con una buona fedeltà la funzionalità di un organo umano.

Si tratta, infatti, di modelli in vitro di organi artificiali, che permettono di studiare gli organi umani diminuendo la dipendenza dalla sperimentazione animale. Questo ha un duplice vantaggio: oltre all’aspetto etico, infatti, questa tecnologia permette di effettuare gli studi direttamente sulla fisiologia umana, e non su quella animale, che seppur simile per certe caratteristiche, non è del tutto uguale. Le maggior applicazioni saranno nella sperimentazione di nuovi farmaci e cosmetici, ma non si esclude che in futuro questa tecnologia possa apportare anche altri benefici nell’ambito della salute umana.

Cosa sono gli Organ-On-Chip

Organ-On-Chip
Credits: Wyss Institute at Harvard University

Gli Organ-on-Chip sono dei dispositivi microfluidici di coltura cellulare che replicano nella loro complessità le strutture e le funzioni degli organi umani. Questi dispositivi, della dimensione più o meno di una chiavetta USB, sono realizzati usando solitamente un polimero flessibile e trasparente. All’interno dove vengono seminate le cellule umane tipiche di uno specifico organo che si vuole modellizzare, insieme a cellule dei vasi sanguigni. In questo modo si ottiene un modello vivente e tridimensionale di un organo umano, grazie al quale è possibile approfondire i meccanismi fisiologici e patologici e testare nuovi farmaci, senza recare alcun danno a persone o animali.

Attualmente con la tecnologia Organ-on-Chip sono stati modellizzati l’intestino, i polmoni, il fegato, i muscoli, le articolazioni, la pelle, il pancreas, il rene, il midollo osseo, il cuore, ecc. La realizzazione di questi dispositivi è permessa da tecniche di microfabbricazione all’avanguardia. La nuova frontiera è rappresentata dal mettere insieme diversi modelli di organi per ottenere un Body-on-Chips: questo permetterebbe di studiare l’effetto dei farmaci contemporaneamente su molteplici sistemi di organi e di prevedere i cambiamenti dei livelli di farmaco presenti nel sangue dei pazienti.

Organ-On-Chip

Un progetto europeo per la promozione di questa tecnologia

Si è svolto dal 2017 al 2019 il progetto europeo “ORCHID” con la finalità di stabilire una tabella di marcia per lo sviluppo della tecnologia Organ-on-Chip e di tessere una rete europea in questo promettente settore. Inoltre, nel corso del progetto è stata fondata la European Organ-on-Chip Society (EUROoCS) come punto di incontro della rete europea, per fornire una piattaforma di dialogo e incoraggiare la ricerca in questa direzione.

Si tratta di un’organizzazione indipendente no-profit che promuove la ricerca e lo sviluppo della tecnologia Organ-on-chip e che permette la condivisione dei risultati raggiunti nel settore e lo scambio di competenze, con la finalità comune di migliorare la salute umana. La EUROoCS si occuperà della qualificazione e nella standardizzazione di tale tecnologia, contribuendo anche alla formazione della prossima generazione di ricercatori.

L’applicazione degli Organ-on-Chip per studiare le malattie neuromuscolari

Tra gli studi che hanno applicato la tecnologia Organ-On-Chip vi è quello svolto in collaborazione tra l’Istituto di nanotecnologia del CNR di Lecce, l’IRCCS Ospedale San Raffaele di Milano e l’Università di Maastricht, che ha portato allo sviluppo di una piattaforma microfluidica capace di far crescere selettivamente e differenziare neuroni e cellule di Schwann. Lo scopo del progetto è stato studiare la comunicazione cellula-cellula e l’interazione cellula-microambiente extracellulare, fondamentale per comprendere i meccanismi alla base delle malattie neuromuscolari.

Organ-On-Chip

In particolare, i ricercatori sono riusciti a far crescere e differenziare selettivamente neuroni e cellule di Schwann all’interno di comparti cellulari miniaturizzati, garantendo una separazione fisica tra tali comparti senza però alterare la comunicazione cellulare paracrina. Questo strumento sviluppato permetterà di compiere grandi passi avanti nello studio delle malattie neuromuscolari quali le neuropatie periferiche e la sclerosi laterale amiotrofica.

Si pensa che in futuro si potrebbe trasformare in una sorta di screening farmacologico, anche a livello paziente-specifico, come proposto da Giuseppe Gigli, direttore del Cnr-Nanotec e coordinatore del Tecnopolo per la Medicina di Precisone. Infatti, si potrebbero realizzare degli Organ-on-chip mediante cellule del paziente per testare i farmaci prima dell’infusione, nell’ottica di promuovere sempre più una medicina personalizzata.

Strumenti in vitro di questo genere rappresentano un punto di svolta per la ricerca neuroscientifica, permettendo di ottenere modelli rappresentativi di patologie complesse, così da studiarne i meccanismi alla base e trovare cure sempre più promettenti.

A cura di Elisa Maria Fiorino

Credits cover image: Wyss Institute at Harvard University

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