Sistemi microfisiologici: organs on chips e human on a chip

microfisiologici

Il concetto di sistema microfisiologico (organi su chip, corpo umano su chip) si è recentemente evoluto ed è descritto come un sistema di (mini-) organi o di tessuti costituiti da tipi cellulari differenti,  che interagiscono tra loro a diversi livelli su un chip microfluidico, in condizioni strettamente controllate. Questo sistema permette di mimare le interazioni tra cellule, tessuti (organs on chips) ed addirittura organi e sistemi diversi (human on a chip o body on a chip), e di fornire gli stimoli chimici e meccanici adeguati, riproducendo a tutti i livelli ciò che accadrebbe in vivo.  E’ inoltre possibile il monitoraggio in tempo reale dei processi cellulari e fisiologici.

In combinazione con le emergenti tecniche che permettono l’utilizzo di cellule staminali umane pluripotenti indotte (iPSC), i sistemi microfisiologici offrono l’opportunità di generare dei modelli in vitro di rilevanza umana, per lo studio della fisiologia, delle malattie e dei meccanismi fisiopatologici, studi tossicologici, screening di farmaci, ecc.
Permettono inoltre di superare quelli che sono i noti limiti:

  • dei classici sistemi in vitro, che non consentono l’interazione dinamica tra diversi tipi cellulari, tessuti, organi, sistemi e non sono in grado di mimare adeguatamente l’organismo nel suo complesso. Le cellule coltivate in condizioni lontane da quelle fisiologiche (architettura bidimensionale, staticità, contatto con materiali plastici non ideali, ecc.) tendono inoltre a morire più rapidamente e a modificarsi nel tempo.
  • degli inaffidabili modelli animali, che a causa di differenze nella biologia e nel metabolismo ricapitolano soltanto in modo parziale la biologia umana. Persino per quelle patologie che sembrano essere mimate adeguatamente da modelli animali ingegnerizzati,  piccole differenze interspecifiche tra le proteine coinvolte nei meccanismi della malattia, sono infatti in grado di far fallire sugli esseri umani dei farmaci che avevano avuto successo nella cura degli animali.

L’utilizzo di cellule prelevate dal singolo paziente e la loro riprogrammazione per l’assemblaggio di un body on a chip personalizzato, è alla base di quella che sarà la medicina personalizzata del futuro (si spera non troppo lontano): una cura su misura per ogni paziente.

Attualmente sono stati messi a punto diversi organi su chip tra cui:

  • Polmone
  • Cuore
  • Apparato digerente
  • Rene
  • Cervello
  • Sistema vascolare
  • Fegato
  • Modello di progressione tumorale e metastasi
  • Barriera emato-encefalica
  • Barriera placentare
  • Midollo osseo

Sono stati inoltre integrati fino a 10 organi diversi in un sistema “human on a chip” al fine di mimare la complessità a livello di sistema e di organismo intero. Le applicazioni sono le più diverse, dalla farmacocinetica allo studio di specifiche patologie.

Sfide per il futuro

Una delle sfide più grandi nel campo dei sistemi microfisiologici riguarda la riprogrammazione di cellule staminali prelevate da una singola fonte, per garantire lo stesso background genetico ad ogni tipo cellulare (standardizzazione dei protocolli di differenziazione). Le cellule necessitano poi di adeguati scaffolds ed appositi gels per permetterne la coltivazione in 3D, l’interazione corretta con altri tipi cellulari (ad es. cellule del sistema immunitario), la differenziazione nella giusta direzione, ecc. Un altro aspetto molto importante è la necessità di incorporare nel chip microfluidico dei biosensori per il rilevamento di variazioni chimiche, volumetriche, meccaniche, ecc. Sono inoltre indispensabili adeguati sistemi di visualizzazione ed analisi in tempo reale: le cellule sul chip devono poter essere visualizzate da un microscopio e deve essere possibile misurare i parametri fisiologici e le loro variazioni (ad esempio in seguito alla somministrazione di un farmaco) in modo efficiente. Tutto ciò richiede un approccio multidisciplinare e necessita della collaborazione di esperti in vari campi quali la fisica, la bioingegneria, la chimica, la biologia, la medicina ed infine la collaborazione delle compagnie farmaceutiche e degli enti preposti a validare i metodi alternativi (ECVAM).

Riferimenti bibliografici

van de Stolpe A, den Toonder J. Workshop meeting report Organs-on-Chips: human disease models. Lab Chip.2013 Sep 21;13(18):3449-70.

Bhatia SN, Ingber DE. Microfluidic organs-on-chips. Nat Biotechnol. 2014 Aug;32(8):760-72.

Wikswo JP. The relevance and potential roles of microphysiological systems in biology and medicine. Exp Biol Med (Maywood). 2014 Sep;239(9):1061-72.

 

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