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Negli ultimi 10 anni i ricercatori sono riusciti a coltivare in laboratorio organi umani miniaturizzati e a simulare un corpo umano con circolazione del sangue su un chip con multi-organi. Questi successi rivoluzionari hanno il potenziale di annunciare la fine dell’era della sperimentazione animale.
Costruttore del corpo: cellule staminali
Gli esperimenti su animali non sono solo eticamente riprovevoli, ma forniscono anche risultati scientificamente inaffidabili. Le differenze tra specie diverse sono così grandi che i dati sulla sperimentazione animale non sono trasferibili all’uomo. Quali metodi di ricerca basati sull’uomo possono utilizzare i ricercatori per ottenere dati validi dai loro esperimenti? Le colture di cellule umane sono state a lungo il metodo per le ricerche in vitro. Tuttavia, tali linee cellulari sono modelli artificiali relativamente semplici che raggiungono presto i loro limiti: in primo luogo, esse non sono prelevate da tessuti sani, bensì da tumori; in secondo luogo, contengono solo un tipo di cellula. Gli organi nel nostro corpo sono invece formati da diversi tipi di cellule altamente specializzate. Tutte le cellule specializzate sono composte a loro volta da cellule staminali che ogni organo possiede. Le cellule specializzate muoiono dopo un certo tempo, mentre quelle staminali riproducono in continuazione nuove cellule specializzate. In questo modo, ogni organo nel corpo si rinnova durante tutto il corso della vita.
Dall’organo all’organoide
La ricerca moderna sfrutta la forza delle cellule staminali per coltivare in laboratorio organi in miniatura, chiamati organoidi. Da quasi 10 anni, organoidi umani sono utilizzati in tutto il mondo quali modelli in vitro per diversi campi di ricerca e ambiti di applicazione. Come per le colture abituali di cellule, con gli organoidi si esplorano le procedure molecolari nelle cellule, le cause delle malattie e l’efficacia dei medicamenti o la tossicità di certe sostanze. Gli organoidi sono un sistema di modello rivoluzionario perché – contrariamente alle linee cellulari descritte sopra – contengono i diversi sottotipi di cellule dell’organo di origine. Anche la disposizione spaziale delle cellule e la struttura tridimensionale dell’organoide assomigliano all’organo reale. Inoltre, gli organoidi possono essere creati da tessuti sani di un donatore umano. Per questo viene effettuata una piccola biopsia per prelevare una parte di organo che contiene anche cellule staminali. Le cellule staminali così estratte vengono isolate dalle altre e mantenute vive in una coltura cellulare che contiene i nutrienti per garantire la loro sopravvivenza (Gel-Matrix), per crescere e svilupparsi in un mini-organo al di fuori del corpo. Questo mini-organo è così piccolo che difficilmente è riconoscibile ad occhio nudo, tuttavia nella sua struttura esso è simile al «vero» organo. Siccome gli organoidi contengono sempre le loro cellule staminali e formano in continuazione nuove cellule staminali, è possibile moltiplicare i mini-organi in laboratorio. Ciò è essenziale per effettuare un grande numero di esperimenti e per riprodurre le prove. Da alcuni anni sono state create «bio-banche» di mini-organi, cioè depositi dove sono conservati organoidi congelati di diversi donatori – sani e malati – per un utilizzo ulteriore.
Organoidi per una medicina personalizzata
Esiste un approccio alternativo, non invasivo, per coltivare organoidi, per il quale non sono necessarie biopsie dell’organo e che è assolutamente indolore per l’essere umano. La ricerca moderna rende possibile la trasformazione in laboratorio di ogni cellula del corpo umano in una cellula staminale. Questa procedura è chiamata «cellula staminale pluripotente indotta», abbreviata iPSC: una cellula della pelle o della radice di capello di un donatore, viene riprogrammata in laboratorio con procedura genetica in una iPSC. Quest’ultima ha la capacità di formare ogni altra cellula specializzata, cosicché è possibile coltivare qualsiasi tipo di organoide. La creazione di un mini-fegato, di un mini-stomaco o di un mini-rene è comandata dalle sostanze aggiunte nella soluzione nutritiva. L’organoide possiede le caratteristiche personali del donatore umano. In questo modo si coltivano mini-organi individualizzati di esseri umani. Nei mini-organi sono conservate anche le malattie genetiche di un donatore.
Organoidi tumorali per la terapia individualizzata contro il cancro
In laboratorio non sono coltivati solo organi in formato miniaturizzato, bensì anche mini-tumori provenienti da biopsie su pazienti malati di cancro. Ciò offre progressi enormi per una terapia contro il cancro personalizzata, su misura per il paziente. Per questo, gli organoidi tumorali sono esposti ai diversi medicamenti e si osserva quale mezzo li danneggia maggiormente. In questo modo si individua in modo attendibile la terapia più efficace da sottoporre al paziente. Questa strategia non è ancora saldamente ancorata nel trattamento clinico, tuttavia esistono già ditte biotecnologiche che offrono screening di organoidi tumorali quali prestazioni di servizio non rimborsate dalle casse malati. Mentre moltissimi animali devono soffrire a causa di esperimenti insensati per la ricerca sul cancro, la terapia individualizzata, basata sugli organoidi, è una rivoluzione nella medicina contro il cancro.
Il corpo umano su un chip
Per giustificare gli esperimenti sugli animali si argomenta spesso che per alcune domande scientifiche si deve considerare l’interazione di diversi organi. Ciò sarebbe possibile solo in un organismo completo vivente. Questa affermazione è sbagliata, perché la ricerca sui mini-organi umani offre soluzioni innovative anche in questo campo. L’interazione tra gli organi umani nel corpo è riprodotta in laboratorio con l’aiuto dei cosiddetti chip multi-organi. A dipendenza dello sviluppatore, un tale bio-chip ha dimensioni che possono variare da quelle di una scheda di memoria per un apparecchio fotografico fino alla grandezza di uno smartphone. Su di esso sono integrati diversi piccoli vasi cilindrici in plastica, collegati tra loro mediante minuscoli canali. Nei vasi sono coltivati diversi organoidi o altri modelli di colture cellulari, che – attraverso il sistema di canali – sono alimentati con la loro soluzione nutritiva e che comunicano tra loro. In questo modo si simulano il corpo umano e la circolazione del sangue. Attraverso il sistema di canali si possono immettere anche medicamenti, che raggiungono ogni mini-organo sul chip. L’influsso del medicamento sugli organi e il relativo metabolismo sono testati prelevando gli organoidi dal chip e analizzandoli. Dopo un esperimento, il bio-chip può essere nuovamente munito di organoidi e in questo modo riutilizzato illimitatamente.
Oggi esistono chip multi-organi sui quali sono presenti fino a 10 organi: cervello, polmone, pancreas, intestino, fegato, rene, ecc. Nel sistema si possono integrare anche mini-organi danneggiati di un determinato paziente; in questo modo si può riprodurre un corpo malato e si possono ricercare le terapie. Alcuni grandi gruppi farmaceutici testano e ottimizzano già oggi i chip multi-organi nello sviluppo dei loro medicamenti. Contrariamente agli animali, nei quali le malattie umane sono provocate artificialmente, i chip multi-organi sono un modello di ricerca avanzato e avveniristico per l’essere umano, che fornisce risultati significativi e affidabili.
Dott.ssa Tamara Zietek -Ärzte gegen Tiereversuche