Organi su chip: una visione d’insieme

Quello della nascita di un farmaco è un processo estremamente articolato e complesso. Una delle principali sfide da affrontare è quella di predire l’effetto del farmaco prima che questo venga testato in uno studio clinico. Gli attuali modelli preclinici per lo screening dei farmaci si basano in gran parte su modelli animali o su semplici colture cellulari. Questi metodi, tuttavia, spesso si rivelano limitanti. Alcuni degli effetti dei medicinali sono infatti difficili da prevedere sui modelli animali e le culture cellulari sono limitate dalla mancanza di funzionalità biologiche. Gli scienziati hanno dunque avvertito la necessità di ricorrere a strategie innovative che potessero ovviare a questi limiti. Così, grazie ai progressi nelle tecnologie di fabbricazione su micro e nanoscala, sono nati dei dispositivi il cui scopo è quello di mimare le caratteristiche degli organi umani: gli organi su chip.

In cosa consistono?

L’idea di base è quella di un dispositivo di sperimentazione artificiale che assomigli al corpo umano sotto ogni aspetto. Gli organi su chip (in Inglese “organs-on-a-chip”, OOC) sono tessuti ed organi miniaturizzati coltivati in vitro che consentono di modellizzare fisiologia e malattie del corpo umano.

Lo sviluppo di questa tecnologia basata sulla microfluidica colma il divario tra i modelli in vitro e in vivo offrendo nuovi approcci per la ricerca farmacologica e non solo. Gli organi su chip possono infatti combinare entrambi i modelli preclinici di cui abbiamo parlato, coltivando le cellule umane in contesti tridimensionali specifici del tessuto. Il vantaggio sta nel fatto che i modelli di coltura cellulare 3D promuovendo livelli più elevati di differenziazione cellulare e organizzazione dei tessuti rispetto ai consueti modelli in 2D.

Il design e l’applicazione di questi dispositivi possono essere molto diversi. Gli organi modellizzati da dispositivi microfluidici includono cuore, polmone, rene, arteria, osso, cartilagine, pelle, pacreas ed altro.

Vediamo insieme le potenzialità di questa tecnologia analizzando alcuni esempi.

Pancreas-on-a-chip

Il pancreas-on-a-chip è il frutto del lavoro di un team di ricercatori del Cincinnati Children’s Hospital Medical Center.

Il dispositivo permette di diagnosticare diverse manifestazioni del diabete correlato alla fibrosi cistica su una base altamente personalizzata.

Il funzionamento si basa sulla valutazione della variazione dei livelli di glucosio nel sangue e la correlazione di tale variazione con la mutazione del gene CFTR ( ovvero il gene che codifica il regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica).

Nerve-on-a-chip

Sviluppato da un team di ricercatori della School of Engineering dell’ Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), il “nerve-on-a-chip” permette di stimolare e registrare il segnale di fibre nervose espiantate, proprio come farebbe una neuroprotesi impiantata.

Il dispositovo ha il vantaggio di poter registrare rapidamente centinaia di risposte nervose con un elevato rapporto segnale/rumore. Lo scopo principale è quello di porre le basi per lo sviluppo di impianti neuroprostetici più efficaci di quelli attuali.

Body-on-a-chip

Il dispositivo consiste in una piattaforma microfluidica con la quale è possibile mettere in comunicazione tessuti ingegnerizzati, collegando fino a 10 tipi di organi: fegato, polmoni, intestino, endometrio, cervello, cuore, pancreas, reni, pelle e muscolo scheletrico. Ogni “organo” è costituito da cluster da 1 milione a 2 milioni di cellule.

In questo modo vengono riprodotti le principali funzioni degli organi, per studiarne le interazioni e valutare gli effetti dei farmaci su varie parti del corpo. Un farmaco utilizzato per trattare un certo organo, ad esempio, potrebbe avere effetti negativi sull’altro.

La vera innovazione di questo sistema è rappresentata proprio dal numero di tessuti collegabili in un’unica piattaforma.

Dispositivi…spaziali!

Altra particolare ed interessante applicazione degli organi su chip è quella dello studio dei tessuti in microgravità. Osteoporosi, sarcopenia, presbiopia, sono solo alcune delle malattie che affettano le persone in età senile ma che a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) sono all’ordine del giorno. Molti dei cambiamenti nel corpo umano causati dalla microgravità ricordano l’inizio e la progressione delle malattie associate all’ invecchiamento sulla Terra, come la perdita di ossa e di massa muscolare. Gli scienziati potrebbero utilizzare dunque gli organi su chip nello spazio per osservare cambiamenti che potrebbero richiedere mesi o addirittura anni sulla Terra.

Per saperne di più:

• Advances in organ-on-a-chip engineering

• Organs-on-a-Chip: A Fast Track for Engineered Human Tissues in Drug Development