Organoidi: piccolo intestino e piccolo cervello

21. febbraio 2017

Non sostituiranno gli esperimenti su animali e gli studi clinici, ma ora gli organoidi da cellule staminali offrono molti vantaggi. Il virus Zika potrebbe essere esplorato in un mini-cervello. Anche il mini- stomaco può studiare meglio il batterio Helicobacter pylori.

Sebbene i pazienti con fibrosi cistica oggi raggiungano per lo più l’età adulta grazie ai migliori metodi di trattamento, la malattia è ancora uno dei principali problemi irrisolti nel campo della medicina. Sono state descritte quasi 2.000 differenti mutazioni nel gene CFTR (regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica). Soprattutto per i pazienti con varianti rare, le prospettive di una terapia efficace sono esigue.

Modello di prova per malattie rare, magazzino ricambi per lesioni

Nel mese di ottobre dello scorso anno è apparso in Science Translational Medicine un articolo di un gruppo di ricerca olandese guidato da Hans Clevers, che forse potrebbe porre fine al gioco della roulette nel trattamento di queste rare varianti. Dalle cellule staminali intestinali di due soggetti affetti da mucoviscidosi, i ricercatori di Utrecht hanno coltivato un “mini-intestino”, su cui si potrebbe testare l’effetto di differenti approcci terapeutici in laboratorio. Almeno con questo piccolo test, i dati di laboratorio sono stati effettivamente trasferiti correttamente nella pratica clinica.

Già nel 2007 Clevers e i suoi colleghi hanno scoperto cellule staminali da cui si possono crescere “organoidi” da uno a due millimetri di dimensione. Queste cellule staminali intestinali, secondo Clevers, “sono probabilmente le più attive nel nostro corpo”, ma non sono affatto le uniche cellule immortali pluripotenti da cui si possono ricavare “organi da laboratorio”. Anche dalla prostata e dal pancreas si possono isolare cellule appropriate, come dallo stomaco, dai reni, o addirittura dal sistema nervoso centrale.

Non sempre è fattibile un composto di tali sistemi di modelli organici per uso clinico, spesso i gruppi di cellule si utilizzano solo una volta per studiare approfonditamente funzioni e circuiti in stato sano o malato di alcuni organi. Tuttavia, prendendo il sistema di modello “pelle”, la produzione ha già raggiunto la procedura in serie. La “pelle da laboratorio” lavorata meccanicamente è spesso usata come materiale di copertura nelle ustioni.

Tumorigenesi in provetta

Due anni fa Clevers ha iniziato ad applicare una biobanca di organoidi di cellule tumorali del colon-retto, al fine di testare le opzioni di trattamento per i tumori in questo modello. Insieme al suo collega David Truveson di Cold Spring Harbor, ha anche sviluppato un deposito simile per piccoli corpi di cellule tumorali pancreatiche. Comunque, gli organoidi nel frattempo sono diventati uno strumento importante anche come modello per lo sviluppo di carcinomi. Oggi il posizionamento di mutazioni mirate con la tecnica CRISPR/Cas9 non è più un’impresa ardua. Due studi indipendenti hanno dimostrato come quattro mutazioni sequenziali da un cellula staminale wild-type formino un adenocarcinoma.

ImageJ=1.44o unit=micron

Mini-rene di un paziente © Benajmin Daman & Joseph Bonventre labs

Nel 2014 James Wells dell’Ospedale pediatrico di Cincinnati è riuscito a coltivare un mini-stomaco nella capsula di Petri. In questa coltura, il parassita dello stomaco Helicobacter pylori si sentiva nel proprio ambiente ed è stato quindi studiato bene. Nell’autunno del 2015, da Melbourne in Australia è arrivata la notizia della coltura di piccoli reni che erano simili allo sviluppo embrionale precoce.

Due popolazioni precursori per l’impianto dei tubuli renali e nefroni formavano una rete di tessuto connettivo e strutture vascolari provvisorie e con un pattern di espressione genica che ricorda l’embrione umano precoce. Vista la molteplicità dei tessuti nel rene adulto, gli autori non hanno voluto parlare ancora di una prospettiva per una sostituzione renale. Tuttavia, il mini-rene è servito come ottimo modello per un’infezione indesiderata di E.coli che potrebbe comportare la conseguenza di un’uremia emolitica attraverso la tossine corrispondente.

Mangime per virus Zika

I virologi hanno potuto studiare a fondo la replica di virus influenzali su un modello di polmone di un paziente con un difetto di segnalazione. Più recentemente, lo sviluppo di un modello di organo neurale ha proseguito la ricerca sul temuto virus Zika. Gli scienziati della Johns Hopkins University di Baltimora hanno contagiato un organoide di prosencefalo di cellule staminali totipotenti indotte (iPSC) e sono riusciti a riaggiustare la microencefalia provocata dal virus. I sintomi tipici di morte cellulare associata al virus, proliferazione rallentata e volume ridotto dello strato cellulare sono apparsi nel modello di laboratorio e in vivo negli embrioni infetti. Pertanto, sembra che sia anche possibile testare meglio di prima le diverse opzioni di trattamento prima dell’uso negli esseri umani. Infine, i ricercatori della Yale University, utilizzando mini-cervelli, sono riusciti a identificare differenze a livello molecolare tra pazienti normali e soggetti nello spettro autistico.

170221_Organoide_Infektion

Infezione di mini cervelli con il virus Zika © Qian e Nguyen et al./Cell 2016

Con difficoltà, gli esperti di medicina rigenerativa si occupano comunque della coltivazione di cellule epatiche. “Non possiamo nemmeno mantenerle in coltura per poche ore”, dichiara Takanori Takebe dell’Università di Yokohama. Almeno attraverso la co-coltura di epatoblasti da cellule staminali pluripotenti indotte (iPS), insieme con cellule staminali mesenchimali ed endoteliali, riesce la coltura di “gemme epatiche”, grandi quanto una lenticchia, che possono essere paragonate al fegato di un embrione di sei settimane di età. Tuttavia, da una sola di queste gemme non si possono rigenerare organi, però il ripristino di un organo avvelenato funziona almeno negli studi sugli animali, quando decine di questi organoidi cooperano.

Nessuna alternativa alla sperimentazione animale

Per alcuni di questi sistemi di organi, l’applicazione clinica non è troppo lontana, ma per molti l’uso principale è nella ricerca di base, attraverso lo studio dello sviluppo di malattie, o della fisiologia dell’organo corrispondente. Anche nel lungo periodo gli esperimenti sugli animali non si potranno sostituire completamente. Agli organoidi nella capsula di Petri manca la possibilità di interazione con sistemi di organi vicini e lontani.

In confronto ad altre colture cellulari di organi 2D, gli organoidi di cellule staminali si avvicinano tuttavia di più alla fisiologia del corpo vivente. Rispetto alle diverse linee cellulari trasformate, il loro “allevamento” presenta il vantaggio che il loro genoma mostra solo poche mutazioni, sorte in linee cellulari stabilizzate attraverso la lunga coltura nell’incubatrice. Infine, molte colture cellulari di organoidi spesso richiedono solo poche cellule staminali, che si differenziano con i fattori appropriati nel tessuto desiderato.

Interazione inspegabile con i vicini

Tuttavia, le colture d’organo 3D sono solo limitatamente adatte per studiare i percorsi delle malattie infiammatorie. Nella coltura, l’interazione con il sistema immunitario può essere simulata solo in maniera limitata. Allo stesso modo, difficilmente nella piastra di coltura si verificano quelle forze biomeccaniche che si manifestano negli organismi viventi. In particolare, non è ancora sufficientemente studiata la loro esigenza di fattori di crescita specifici. Ciò rappresenta per esempio una spiegazione del perché l’allevamento di un mini-ovaio finora non sia ancora riuscito. Inoltre, le grandi differenze fenotipiche tra mini-organi adulti da una cultura all’altra e, talvolta, anche all’interno di una cultura sono ancora in gran parte indecifrabili. In questo contesto può svolgere un ruolo importante la sostanza strutturale utilizzata.

Tuttavia, gli esperti prevedono un grande futuro per le strutture tridimensionali dalla coltura in vitro. Come prova può ben servire anche l’assegnazione del prestigioso premio Körber per la Scienza Europea. Quasi dieci anni fa, Hans Clevers ebbe il coraggio di formare, dalle cellule staminali intestinali da lui scoperte, piccoli organi che oggi svolgono un ruolo indispensabile nella sperimentazione di principi attivi e nello studio dei tumori. In tutto il mondo, si stima che oggi circa 200 laboratori producano piccoli organi dalla storta. Sicuramente diventeranno molti di più.

1 valutazioni (5 ø)


Copyright © 2019 DocCheck Medical Services GmbH
Lingua:
Seguire DocCheck: