In un laboratorio recentemente aperto a nord di Londra un esperimento è in corso per scoprire come il fegato risponderà ad un farmaco nuovo. Sembra chiaro che tale test è stato effettuato su cellule epatiche coltivate in vetrini da laboratorio come richiedono le leggi prima di approvare un farmaco per la prova in animali come ratti o cani da laboratorio. Ma questo esperimento utilizza un piccolo dispositivo delle dimensioni di un cellulare. Esso contiene un fegato miniatura fatta da cellule umane e promette risultati più affidabili. È una delle prime versioni commerciali di quello che in bioingegneria viene definito organo-on-chip.
L’uso combinato di tecniche di micro-fabbricazione insieme alla medicina rigenerativa ha reso possibile la creazione di organi umani in dispositivi tecnologici miniaturizzati. L’idea alla base di questa tecnologia è innovativa con possibilità di produrre organi umani da utilizzare come strumento di screening, al fine di testare nuovi farmaci e quindi sviluppare nuove terapie.
Il chip del fegato, denominata Quantum-B, è stata fatta da CN Bio, un’azienda collegata all’Università di Oxford e ora con sede a Welwyn Garden City. Quantum-B è stato progettato per aiutare i ricercatori a trovare una cura per l’epatite B, un’infezione virale del fegato. Altri equipe di scienziati stanno mettendo appunto organi in miniatura tra cui l’America, l’Istituto Wyss dell’Università di Harvard, i cui dispositivi includono un polmone-on-chip (nella foto sopra), e la University of California, Berkeley, che ha messo appunto un cuore-on- a-chip. Sono inoltre in fase di sviluppo Chips per replicare il rene, intestino, muscoli, grasso, ossa e pelle.
Questi esperimenti sono soggetti alle autorità di regolamentazione, tali dispositivi hanno il potenziale di ridurre drasticamente l’uso di animali da laboratorio nel testare un farmaco. Tuttavia possono verificarsi discrepanze nella risposta a un farmaco tra tessuti derivati da specie diverse, per gli esseri umani a causa delle differenze fondamentali in biologia. Test su tessuti umani su chip in vitro allo stesso modo possono rivelarsi inaffidabile perché le sue cellule spesso smettono di funzionare. I dati più realistici promessi dagli organi-on-a-chip potrebbero accelerare lo sviluppo di farmaci e consentire ai ricercatori di effettuare esperimenti troppo rischiosi per i volontari umani.
Inoltre, collegando diversi chip insieme, i ricercatori possono studiare come le reazioni in un organo influenzano l’altro. Un farmaco che produce risultati positivi nel trattamento di malattie cardiache, per esempio, potrebbe essere metabolizzato dal fegato in un modo che ha risultati tossici.Infatti, con abbastanza organi-on-a-chip, alcuni scienziati sperano che un giorno potrà essere possibile creare l’equivalente di un corpo-on-chip.
L’organo su chip: come è costituito ?
La maggior parte dei circuiti integrati di organi sono fatti di un materiale sintetico, quale un polimero. Questo può essere trasparente per la visualizzazione delle cellule attraverso un microscopio. (Alcuni sono fatti con i processi fotolitografici simili a quelli utilizzati per i microchip-quali computer ecco il motivo del loro nome.) I chip contengono strutture minute a cui in coltura vi sono cellule umane collegate. Date le giuste condizioni, le cellule si disporranno naturalmente come farebbero nel corpo e inizieranno a comportarsi come se fossero al suo interno. Una tecnica chiamata microfluidica che è usata per far circolare un fluido mimando il sangue lungo dei canali e piccoli tubi, portano sostentamento alle cellule.
I chip non contengono organi completi, solo delle piccole colonie di cellule necessarie per replicare la funzione di un organo. Chip del fegato di CN Bio, si basa sul lavoro svolto in collaborazione con Linda Griffith ei suoi colleghi del Massachusetts Institute of Technology (MIT), utilizza una piccola “struttura ” per tenere le cellule di organi donati che, per varie ragioni, sono stati ritenuti non idonei per il trapianto. Le cellule possono essere congelate fino all’utilizzo.
Ciò che rende chip organo potenzialmente così efficace nei test farmaco è che essi non creano solo l’ambiente biochimico necessario per le cellule a prosperare ma anche quello fisico. Per un fegato-on-chip questo significa ottenere una coretto apporto meccanico dei fluidi quindi della fornitura di sangue artificiale. Studi precedenti hanno dimostrato che le modalità d’afflusso di fluidi sulla superficie di una cellula può influenzare la sua capacità di funzionare.
Altre cellule possono richiedere un’azione meccanica. Il polomone-on-a-chip di Harvard, per esempio, deve “respirare”. Per fare ciò il dispositivo è costruito da due canali microfluidici, uno sopra l’altro, in un materiale plastico flessibile. I canali sono separati da una membrana porosa che è allineata in alto con cellule epiteliali derivate da alveoli polmonari umane, e sul fondo con cellule endoteliali da vasi sanguigni. Il canale superiore porta aria alla membrana e quello inferiore contiene un fluido simile al sangue. Applicando un vuoto alternata su entrambi i lati della struttura tende e rilassa le cellule, come nella cassa toracica di respirazione di una persona.
Il polmone-on-chip è stato sviluppato da Donald Ingber, ampiamente considerato come un pioniere nel campo, e dei suoi colleghi di Harvard. Il chip del polmone, che è circa delle dimensioni di una chiavetta USB, è stato commercializzato da una società chiamata Emulate. Se esposto ai batteri nel canale d’aria, il dispositivo reagisce come un polmone umano quando è infetto. L’infiammazione e l’accumulo di liquido nei polmoni può essere studiato.
Il cuore-on-a-chip del gruppo di scienziati di Berkeley ha una camera centrale in cui le cellule del cuore sono imballate insieme, con canali microfluidici che simulano dei vasi sanguigni. I ricercatori di Berkeley, guidati da Kevin Healy e Anurag Mathur, dicono che entro 24 ore dopo che le cellule del cuore sono poste nel box cominciano a battere da soli a 55-80 battiti al minuto. Dopo circa una settimana questo diventa abbastanza costante per test per iniziare. Esposto a farmaci per il cuore standard, dicono i ricercatori, il chip cuore risponde allo stesso modo in cui farebbe un cuore umano a grandezza naturale.
Lo sviluppo di micro-tecnologie mirate ad ottenere tessuti umani in vitro si rivelerà sicuramente di grande impatto in campo farmaceutico e biomedico nel prossimo futuro. L’ottenimento di tessuti a partire da cellule di un singolo paziente utilizzando una semplice biopsia cutanea o cellule derivate dal sangue o dalle urine renderà possibile il loro impiego di routine per effettuare test di farmaci, e lo sviluppo di terapie mirate per il singolo paziente.