Organoidi: bioingegneria sorpassa le coltivazioni da laboratorio

I bioingegneri hanno creato degli intestini in miniatura in un contenitore che si adatta, anatomicamente e funzionalmente, meglio alla reale struttura umana di qualsiasi altro modello di tessuto coltivato in laboratorio. La complessità biologica e la longevità della nuova tecnologia organica è un passo importante per consentire il test dei farmaci, la medicina personalizzata e forse, un giorno, i trapianti.

Di
Oliver Melis
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Gli organoidi, che negli ultimi anni stanno diventando un vero “asso nella manica” della ricerca medico-scientifica, sono degli agglomerati di cellule che assumono spontaneamente una precisa conformazione tridimensionale, finendo con l’assomigliare a organi veri e propri in miniatura.
La loro struttura, è molto più semplice di quanto si pensi, ma nel contempo ha un impatto molto più significativo di un banale ammasso di cellule su una piastrina da laboratorio.
Infatti, la straordinaria capacità delle cellule nel disporsi, distribuirsi ed organizzarsi, formano quello che viene definito  processo di organogenesi.
Tale processo li ha resi modelli cellulari in 3D ineguagliabili, proprio per conseguire nuovi studi sullo sviluppo dei vari organi e sulle interazioni tra i tessuti che li formano.
Tuttavia, gli organoidi stanno rapidamente diventando uno degli strumenti più all’avanguardia delle moderne scienze della vita.
L’obiettivo è quello di utilizzare le cellule staminali per costruire tessuti e organi in miniatura che assomiglino e si comportino accuratamente come le loro controparti reali.
Si può immediatamente apprezzare il valore degli organoidi sia per la ricerca sia per la medicina.
Dalla ricerca biologica di base, allo sviluppo e alla sperimentazione di farmaci, gli organoidi potrebbero integrare la sperimentazione animale, fornendo tessuti umani sani e accelerando il lungo viaggio dal laboratorio alla sperimentazione clinica.
Oltre a questo, c’è già il sentore che in futuro la tecnologia degli organoidi potrebbe essere utilizzata per sostituire i tessuti danneggiati o persino organi interi: prelevare le cellule staminali dal paziente, cellule già presenti naturalmente nel nostro organismo, e farle crescere in un nuovo fegato, cuore, rene o polmone.
Finora, i metodi consolidati per la produzione di organoidi presentano notevoli inconvenienti:

  • Le cellule staminali si sviluppano incontrollabilmente in tessuti circolari e chiusi che hanno una breve durata di vita;
  • Così come dimensioni e forma non fisiologiche, il che si traduce in un’incongruenza anatomica e/o fisiologica complessiva con gli organi della vita reale.

Ora, gli scienziati del gruppo guidato da Matthias Lütolf all’Istituto di Bioingegneria dell’EPFL hanno trovato un modo per “guidare” le cellule staminali nel formare un organo intestinale che ha l’aspetto e le funzioni di un tessuto reale.
Pubblicato sulla rivista Nature, s’intuisce come il metodo sfrutta la capacità delle cellule staminali di crescere e organizzarsi lungo una struttura a forma di tubo, che imita la superficie del tessuto nativo, posto all’interno di un chip microfluidico (un chip con piccoli canali in cui piccole quantità di fluidi possono essere manipolate con precisione).

Organoidi: i ricercatori dell’EPFL spiegano il processo adottato nella nuova fase di ricerca

I ricercatori dell’EPFL hanno usato un laser per scolpire questa struttura di forma intestinale all’interno di un idrogel, un colloide formato da catene polimeriche di molecole disperse in acqua. Nella fattispecie essendo biocompatibile, permette di far crescere cellule in ingegneria tissutale. Una soluzione che supporta le cellule del tessuto nativo.
Oltre ad essere il substrato su cui le cellule staminali potrebbero crescere, l’idrogel fornisce quindi anche la forma o “geometria” che costruirebbe il tessuto intestinale finale.
Una volta seminate nella struttura intestinale, in poche ore, le cellule staminali si diffondono attraverso questo involucro, formando uno strato continuo di cellule con le sue caratteristiche strutture di cripta e i suoi Villi intestinali (ripiegamenti verso l’esterno di un organo o di un tessuto) della mucosa dell’intestino.
Poi è arrivata la sorpresa: gli scienziati hanno scoperto che le cellule staminali “sapevano” come disporsi per formare un minuscolo budello funzionale.
“Sembra che la geometria dell’impalcatura dell’idrogel, con le sue cavità a forma di cripta, influenzi direttamente il comportamento delle cellule staminali in modo che si mantengano nelle cavità e si differenzino nelle aree esterne, proprio come nel tessuto nativo”. Dice Lütolf.
“Le cellule staminali non hanno solo adottato la forma dell’impalcatura, ma hanno prodotto tutti i principali tipi di cellule differenziate che si trovano nell’intestino reale, con alcuni tipi di cellule rare e specializzate che normalmente non si trovano negli organuli”.

Intestini in miniatura

I tessuti intestinali sono noti per i più alti tassi di ricambio cellulare nel corpo, con il risultato di una massiccia quantità di cellule morte che si accumulano nel lume degli organuli classici che crescono come sfere chiuse e richiedono una scomposizione settimanale in piccoli frammenti per mantenerli in coltura.
“L’introduzione di un sistema microfluidico ci ha permesso di perfezionare in modo efficiente questi minuscoli budelli e di stabilire un sistema organolettico omeostatico a vita lunga in cui la nascita e la morte delle cellule sono in equilibrio”; dice Mike Nikolaev, il primo autore del documento.
I ricercatori dimostrano che questi intestini in miniatura condividono molte caratteristiche funzionali con le loro controparti in vivo. Ad esempio, possono rigenerarsi dopo un massiccio danno tissutale e possono essere utilizzati per modellare processi infiammatori o interazioni ospite-microbo in un modo che prima non era possibile con qualsiasi altro modello tissutale coltivato in laboratorio.
Inoltre, quest’approccio è ampiamente applicabile per la crescita di tessuti in miniatura da cellule staminali derivate da altri organi come il polmone, il fegato o il pancreas, e da biopsie di pazienti umani.
“Il nostro lavoro dimostra che l’ingegneria tissutale può essere utilizzata per controllare lo sviluppo degli organi e costruire organi di nuova generazione con un’elevata rilevanza fisiologica;  aprendo prospettive interessanti per la modellazione delle malattie, la scoperta di farmaci, la diagnostica e la medicina rigenerativa”. Conclude Lütolf.