Sistemi Organo-su-chip e le 3R Understand article

La tecnologia organo-su-chip mima le principali proprietà della fisiologia umana. In futuro, tali modelli avanzati potrebbero persino sostituire l’uso degli animali nella ricerca medica.

Vi sarà capitato di sentir parlare dell’utilizzo di animali per esperimenti di ricerca scientifica e chiedervi perchè. Aldilà della vostra personale opinione sull’uso di modelli animali a scopo di ricerca, ne avrete sicuramente già beneficiato. Infatti, tutte le sostanze presenti nel cibo o nei farmaci devono essere accuratamente testate per evidenziarne i potenziali effetti nocivi. Ecco perchè le sostanze devono essere testate prima su modelli animali e, solo in seguito, su soggetti volontari o approvate per l’uso generalizzato, anche se nell’Unione Europea, dal 2009, non è consentito l’uso di animali in ambito cosmetico. Ad ogni modo, sarebbe magnifico trovare nuove modalità per testare la pericolosità o meno di una sostanza. Nel seguente articolo, si riassumeranno brevemente le ragioni dell’utilizzo degli animali a scopo di ricerca e possibili future alternative.

Perchè nella ricerca si usano gli animali?

Quando si deve testare la sicurezza di una nuova sostanza, gli scienziati usano come primo step le colture cellulari. Questo dà un’indicazione generale sulla tossicità in cellule vive, ma manca di molti dettagli. Ad esempio, una sostanza può essere innocua se applicata sulla pelle, ma pericolosa se ingerita. Altre sostanze potrebbero essere di per sè sicure, ma convertite dal fegato in metaboliti tossici. Inoltre, la maggior parte dei tessuti e degli organi sono strutture 3D complesse e caratterizzate da cellule diverse che interagiscono tra loro. Ciò non può essere simulato da semplici colture cellulari. Pertanto, in seconda battuta, è necessario l’uso di animali con organi e tessuti complessi, come i topi, per esaminarne la tossicità. L’uso di animali in ricerca è un passaggio obbligatorio durante lo sviluppo di integratori alimentari e farmaci, non solo nell’Unione Europea, ma anche nel resto del mondo.

Quali sono i problemi associati all’uso degli animali in ricerca?

Come spiegato, ci sono ottimi motivi per l’utilizzo di animali in ricerca, ma anche degli svantaggi. Ad esempio, una celebre frase presente in letteratura scientifica afferma che “i topi non sono uomini”^[1]. Ossia animali e uomini condividono delle somiglianze, ma anche molte differenze. Gli animali possono digerire, assorbire o metabolizzare i composti secondo modalità differenti rispetto all’uomo. Una sostanza innocua nell’animale, potrebbe comunque essere tossica per l’uomo e viceversa. Ad esempio, lo sapevate che il cioccolato non è tossico per l’uomo (ma se in eccesso può causare mal di stomaco!), invece per i cani, una componente del cioccolato, la teobromina, può essere molto tossica? L’uso di animali in ricerca è anche molto costoso: gli animali hanno bisogno di ricoveri, cibo e cure adatti, anche prima dell’inizio dell’esperimento. Ci sono delle regole molto restrittive riguardo alle modalità secondo cui gli animali devono essere ospitati e trattati, e non esiste un modo economico per farlo. Infine, l’uso di animali in ricerca ha sollevato anche problematiche di tipo etico dato che anch’essi provano dolore e sofferenza. Quindi, l’uso di animali a scopo di ricerca è fortemente regolato dall’Unione Europea e costantemente rivisto dalle autorità locali come i Comitati di Etica e Ricerca Animale.

Per aumentare il benessere degli animali da laboratorio, l’UE ha emanato la Direttiva 2010/63/EU, la quale prevede che gli esperimenti su di essi debbano essere effettuati solo quando un quesito scientifico non può essere risolto in altro modo. Le commissioni locali e le autorità assicurano che tale direttiva venga attuata. La direttiva segue il principio delle 3R, introdotto nel 1959 dagli scienziati inglesi Russel e Burch^[2]. Pertanto, i ricercatori devono sempre chiedersi se l’uso degli animali è davvero necessario e dimostrarlo anche alle autorità locali. Un metodo di sperimentazione alternativa sarebbe utile per la ricerca di base e la tossicologia.

Quali sono le alternative?

Poiché le colture cellulari non riflettono la complessità di un tessuto, organo o organismo, gli scienziati hanno sviluppato dei modelli per meglio rispecchiare la realtà. Ne sono un esempio i cosiddetti organoidi, piccoli aggregati in 3D di cellule di uno stesso tipo o più tipi.

Ad esempio, i prodotti usati in cosmetica sono, oggigiorno, testati su modelli 3D di pelle. Tuttavia, questo tipo di modelli non sono completi in tutti gli aspetti (figura 1). Il sangue e gli organi hanno una saturazione dell’ossigeno più bassa dell’aria, parametro assente nei test con colture cellulari normali. La maggior parte degli organi e dei tessuti è soggetta a forze meccaniche: il cuore batte per pompare sangue, I polmoni si espandono quando ispirate, e le ossa sono soggette a carichi meccanici ogni qualvolta si compie un movimento. Per simulare questi aspetti fisiologici degli organismi, si possono sfruttare i bioreattori. Un bioreattore è un dispositivo che può contenere cellule o organoidi in 3D permettendo il controllo di uno o più parametri ambientali come temperatura, pH o la concetrazione di ossigeno.

Recentemente, una nuova tipologia di bioreattori sta emergendo: gli organi-su-chip. Non confondetevi: non troverete una miniatura di polmone o di osso su di un chip in silicone saldato ad un circuito. L’espressione ‘on-chip’ significa che il bioreattore è prodotto usando le stesse tecniche usate per i semiconduttori. Ciò consente di creare piccole strutture, come canali con diametro inferiore ad un millimetro, ma a costi contenuti. Questi piccoli bioreattori portrebbero essere anche dotati di sensori per monitorare la concentrazione dei nutrienti o la saturazione dell’ossigeno (figura 2).

Ci sono anche esempi in cui gli organi-su-chip producono una stimolazione meccanica per simulare il cuore che pompa o un polmone che respira. L’uso di membrane porose permette la simulazione di barriere di tessuti come pelle, placenta o barriera ematoencefalica. Queste barriere sono di cruciale interesse per la tossicologia, perchè le sostanze che le attraversano potrebbero essere pericolose aldilà della barriera. Provvisti di cellule corrette, i dispositivi organo-su-chip possono ricreare un ambiente molto più simile alla realtà rispetto alle colture cellulari.

Che cosa è un organo-su-chip

Quando si parla di organo-su-chip, gli scienziati non intendono un intero organo in miniatura, piuttosto un modello multicellulare che riproduce determinate parti di un tessuto e le sue funzioni specifiche. Quindi, i modelli organo-su-chip sono dei mini bioreattori ingegnerizzati, che ospitano cellule vive per mimare le principali unità funzionanti degli organi. Le cellule di un organo-su-chip sono alimentate da un flusso continuo di nutrienti, mentre i prodotti di scarto sono rimossi. Inoltre, i dispositivi possono essere usati per controllare parametri come pH, concentrazione dei gas o pressione, amplificando la rilevanza biologica del sistema.

È anche possibile connettere diversi modelli di organo-su-chip per simulare l’interazione tra organi e tessuti, in tal caso prendono il nome di multi-organo-su chip (figure 3). Si pensa anche di simulare e connettere la maggior parte degli organi e tessuti presenti nel corpo umano, detto anche uomo-su-chip.

Le possibilità sono infinite, gli scienziati hanno già dimostrato la combinazione di un organo-su-chip bronchiale con un organo-su-chip di fegato per studiare l’eventuale tossicità di sostanze inalate^[4]. Sono stati simulati con successo anche sistemi biologici più complessi, come l’apparato riproduttivo femminile^[5]. La combinazione di vari sistemi di organo-su-chip per studiare l’interazione tra diversi tipi di cellule ed organi è detta multi-organo-su chip.

Un altro importante vantaggio dei sistemi organ-su-chip è che le cellule umane di diversi individui possono essere testate per riflettere la naturale variabilità tra persone, ed aprire la strada a trattamenti personalizzati.

Sebbene i sistemi multi-organo citati permettano studi inter-organo, non sono ancora in grado di simulare accuratamente un organismo intero. È quindi importante essere consapevoli che questa tecnologia non potrà sostituire l’uso degli animali per scopi di ricerca, almeno nell’immediato. Ad ogni modo, gli scienziati stanno lavorando costantemente per migliorare la tecnologia organo-su-chip per sviluppare migliori sistemi di test alternativi agli esperimenti sugli animali e per stabilire modelli da usare per la medicina personalizzata. La maggior parte dei ricercatori è preoccupata dall’uso di animali nella ricerca e tutti dobbiamo impegnarci a salvaguardarli cercando al contempo metodi alternativi, ove possibile.

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