ORGANIDI STAMPATI IN 3D: PROGETTO PER UNA MEDICINA PERSONALIZZATA
di Dott.ssa Francesca Lavarini / Biologa specializzata in Antropologia ed Etologia
Pochi giorni fa è stata dato il via ad un importante progetto scientifico, utilissimo per una medicina personalizzata: il progetto CERES dell’Istituto Italiano di Tecnologia. In questo progetto la tecnologia della stampa 3D si unisce alla possibilità di usare le cellule come “inchiostro”, per ottenere organoidi del cervello umano, utili per studiare malattie e sperimentare farmaci. Il progetto CERES apre la strada anche alla medicina personalizzata del futuro grazie alla possibilità di impiegare cellule prelevate direttamente dai pazienti e sviluppare così terapie su misura.
A differenza delle stampanti 3D tradizionali, che impiegano plastiche e metalli, le bio-stampanti depositano strati di cellule in modo controllato su impalcature artificiali. Ceres, tuttavia, si distingue perché gli organoidi non avranno bisogno di impalcature: sfrutteranno, invece, le capacità naturali delle cellule di organizzarsi nello spazio, formando strutture simili agli organi umani. Le cellule prelevate verranno, infatti, riprogrammate in cellule staminali pluripotenti indotte, che sono capaci di differenziarsi in qualsiasi tipo di tessuto.
Questo progetto è importante anche perché può far diminuire l’uso di animali nella ricerca scientifica.
Ma cosa sono gli organoidi?
Gli organoidi sono piccoli modelli tridimensionali coltivati in vitro a partire da cellule staminali, che si differenziano in diversi tipi di cellule specializzate, riproducendo in laboratorio la struttura e le funzioni essenziali degli organi umani. A differenza delle colture cellulari tradizionali bidimensionali, che crescono su piastre piatte, gli organoidi crescono in tre dimensioni, permettendo alle cellule di organizzarsi in modo simile agli organi reali in versione miniaturizzata.
Questa capacità di riprodurre fedelmente gli aspetti salienti degli organi umani consente di utilizzare gli organoidi per studiare malattie, testare farmaci e sviluppare nuove terapie in un contesto più realistico rispetto ai modelli in vitro tradizionali ed ai modelli animali. Già oggi, gli organoidi stanno dimostrando di poter migliorare la ricerca biomedica e di ridurre la dipendenza dai test sugli animali.
Gli organoidi stanno diventando sempre più importanti nel campo della ricerca oncologica, della neurobiologia, della ricerca sulle cellule staminali e della scoperta farmacologica poiché consentono una migliore modellazione dei tessuti umani. Derivati da cellule staminali, gli organoidi possono essere differenziati in un’ampia varietà di tipi di tessuti, tra cui fegato, polmone, cervello, rene, stomaco e intestino. Poiché questi microtessuti 3D riproducono le caratteristiche degli organi in vivo, possono fornire ai ricercatori informazioni più approfondite sui meccanismi di sviluppo e di malattia nell’uomo. Ad esempio, i ricercatori possono coltivare organoidi derivati da cellule geneticamente modificate per capire in che modo specifiche mutazioni geniche sono collegate a determinati disturbi genetici. La possibilità di utilizzare organoidi derivati da pazienti per gli screening farmacologici e le valutazioni della tossicità sta consentendo ai ricercatori di compiere ulteriori progressi nel campo della medicina personalizzata.
Vengono distinti vari “tipi” di organoidi in base alle loro proprietà emergenti e alle implicazioni etiche specifiche. In particolare, si distinguono:
- I “tumoroidi”, creati a partire da campioni tumorali (ad es. da biopsie) utilizzati per comprendere la patogenesi e per testare l’efficacia di terapie personalizzate;
- Gli organoidi cerebrali, modelli che riproducono aspetti della struttura e funzione del cervello
- Gli organi bioartificiali, e cioè organoidi destinati, in futuro, a fungere da sostituti per il trapianto, con il potenziale di fornire “mini-organi” funzionali per la medicina rigenerativa
- Gli organoidi delle gonadi, modelli degli organi della riproduzione.
A cosa possono servire gli organoidi?
Per i possibili utilizzi e applicazioni c’è l’imbarazzo della scelta. Una prima direzione di ricerca ha a che fare con il processo con cui gli organoidi vengono ottenuti. Lo studio di come essi crescono e dei fattori che influenzano questo processo ha aperto nuovi filoni di ricerca nella biologia dello sviluppo. Osservando come cresce un organoide può infatti permettere di studiare in laboratorio alcuni aspetti dello sviluppo degli organi che sono molto difficili da cogliere, dato che avvengono all’interno di un embrione.
Un altro ambito molto promettente riguarda la ricerca oncologica e lo sviluppo di farmaci e terapie non solo contro il cancro. Avere a disposizione un tumore che, seppure un po’ semplificato, può svilupparsi in tre dimensioni in laboratorio può aiutare i ricercatori a comprenderne meglio le caratteristiche. In alcuni casi sugli organoidi si possono sperimentare farmaci. Dagli screening di tossicità ai test di singole molecole farmacologiche, si possono anche prevedere applicazioni per la medicina di precisione o per lo studio delle patologie ereditarie, prelevando per esempio le cellule con cui dare origine a un organoide da uno specifico paziente.
Con una visione ancora più futuristica, questi mini-organi potrebbero un domani essere fatti crescere al punto da diventare organi trapiantabili negli esseri umani stessi, oppure essere utilizzati quali elementi di partenza per la rigenerazione di un organo danneggiato.
Parte della ricerca si sta focalizzando sullo sviluppo di organoidi che abbiano anche la vascolarizzazione e le terminazioni nervose, in modo da riprodurre almeno in parte ciò che entra nell’organo, e dall’organo esce, tramite il sangue e i nervi.
Applicazioni degli organoidi nella ricerca
- Ricerca sul cancro. Gli organoidi tumorali, o tumoroidi, rappresentano una delle applicazioni più avanzate degli organoidi nella ricerca sul cancro. Questi tumoroidi vengono sviluppati a partire dalle cellule tumorali di un paziente e riproducono fedelmente la complessità del tumore e del suo microambiente. I tumoroidi permettono di testare in vitro vari trattamenti farmacologici per identificare la terapia più efficace per un singolo paziente. Questo approccio personalizzato migliora l’efficacia delle terapie e riduce gli effetti collaterali, senza la necessità di ricorrere a test sugli animali. Gli organoidi tumorali sono già stati utilizzati, ad esempio, nello studio del cancro del colon e del cancro al polmone, con risultati molto promettenti.
- Tossicologia e scoperta di farmaci. Gli organoidi sono ampiamente utilizzati per testare la sicurezza e l’efficacia dei farmaci, specialmente per quanto riguarda la tossicità epatica e renale. Gli organoidi epatici, ad esempio, sono impiegati per valutare come i farmaci vengono metabolizzati nel fegato e per identificare potenziali effetti collaterali tossici. Allo stesso modo, gli organoidi renali e intestinali vengono utilizzati per studiare come i farmaci vengono processati nel sistema renale e digestivo. Questi organoidi offrono un modello più accurato rispetto ai modelli animali per prevedere come un farmaco influirà sul corpo umano. Questo consente di migliorare il processo di sviluppo dei farmaci, riducendo la necessità di test sugli animali nelle fasi precliniche.
- Modellazione delle malattie genetiche. Gli organoidi sono anche utilizzati per studiare malattie genetiche rare e complesse. Ad esempio, gli organoidi cerebraliderivanti da pazienti con mutazioni specifiche possono essere impiegati per studiare patologie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer e il Parkinson, fornendo una piattaforma tridimensionale che replica la struttura del cervello umano. Questo permette ai ricercatori di osservare direttamente i meccanismi patologici e di testare terapie sperimentali in un contesto che rispecchia meglio la realtà rispetto ai modelli animali. Questo tipo di modellazione sta già oggi migliorando la comprensione di molte malattie genetiche e offrendo nuove opportunità per sviluppare terapie mirate.
- Studio delle infezioni. Gli organoidi sono utilizzati anche per studiare come virus, batteri e altri patogeni interagiscono con i tessuti umani. Durante la pandemia di COVID-19, ad esempio, organoidi polmonari e intestinalisono stati utilizzati per studiare come il virus SARS-CoV-2 infetta le cellule umane. Questi modelli tridimensionali hanno permesso di comprendere meglio il comportamento del virus e di accelerare lo sviluppo di trattamenti antivirali e vaccini.
