Organoidi avatar per testare nuove terapie: buone le prospettive

Un recente studio pubblicato su Science ha mostrato una buona corrispondenza tra pazienti affetti
 da tumore e una patologia fac-simile sviluppata in laboratorio su cui misurare gli effetti del trattamento. Si apre la strada per scegliere in via preliminare cure più appropriate al singolo paziente e studiare la biologia del cancro. Dal numero 160 del magazine

organoidi avatar

Il tutto è maggiore della somma delle sue parti” diceva Aristotele. Se riferito all’organismo umano il pensiero espresso dal filoso greco indica che i singoli organi, anche se considerati nel loro complesso, non potranno mai emulare l’organismo vivente nella sua complessità. Vero, però avere un piccolo organo in 3D, su cui testare nuove molecole e fare ricerca di base per comprendere la natura delle malattie, può essere utile eccome. Hans Clevers, uno scienziato dell’Hubrecht Institute di Utrecht, nel 2009 presentò al mondo il primo organoide derivato dalle cellule staminali che rivestono l’intestino. L’intestino in provetta servì a Clevers per testare i farmaci contro la fibrosi cistica, e l’esperimento riuscì con successo: oggi in Olanda la terapia viene assegnata al paziente (e rimborsata dall’assicurazione) solo se l’avatar del malato risponde positivamente durante il test preliminare.

Nel frattempo sono stati creati organoidi avatar di cervello, reni, fegato, pancreas, ghiandole prostatiche e anche diversi tipi di tumore per avere un’anteprima della risposta del paziente al trattamento. L’avatar da laboratorio non è dunque una novità, ma di recente un articolo pubblicato su Science (Patient-derived organoids model treatment response of metastatic gastrointestinal cancers) ne ha dimostrato ulteriormente la validità.

Il co-clinical trial

Un gruppo di ricercatori dell’Institute for Cancer Research di Londra, guidati dall’oncologo italiano Nicola Valeri, ha infatti realizzato un co-clinical trial (studi clinici paralleli in cui le risposte ai farmaci nei pazienti sono abbinate ai modelli preclinici di laboratorio per personalizzare il trattamento e comprendere i meccanismi della chemiosensibilità), testando in contemporanea i medicinali sui pazienti e sui rispettivi avatar per valutare la corrispondenza tra i due. Oggi per i co-clinical trial sono utilizzati modelli animali geneticamente ingegnerizzati o xenotrapianti derivati dal paziente, che presentano problemi logistici, etici ed economici. I ricercatori hanno creato quindi una sorta di biobanca vivente di organoidi, a partire da cellule metastatiche prelevate con biopsia da 71 pazienti con carcinoma colorettale e gastroesofageo metastatico, arruolati in quattro studi clinici prospettici di fase I e II. In questo modo hanno ricreato il tumore in laboratorio.

Una buona percentuale di successo

Dopodiché, su queste piccole strutture tridimensionali – grandi alcune decine o centinaia di micron – hanno testato 55 farmaci approvati o in fase finale di sperimentazione per i diversi tumori presi in esame, per capire quale fosse quello più efficace a seconda dei casi. In conclusione gli autori dello studio affermano che gli organoidi analizzati hanno mostrato una sensibilità del 100% e una specificità del 93%. Soprattutto è stato rilevato “un valore predittivo positivo dell’88% e un valore predittivo negativo del 100% nella risposta di previsione agli agenti mirati o alla chemioterapia nei pazienti”.

Se un avatar non risponderà alla terapia, insomma, non lo farà neanche il paziente nel 100% dei casi; viceversa se il trattamento avrà successo sull’organoide, nell’88% dei casi lo avrà anche sul malato. Risultati che portano i ricercatori a sottolineare come queste strutture tridimensionali possano essere utilizzate nella fase iniziale delle sperimentazioni cliniche per decidere qual è la terapia più appropriata per il singolo paziente. Risparmiando cure inutili e dannose per lo stesso e anche risorse.

Il caso del tumore raro della prostata

In tutto il mondo oggi sono diversi i gruppi di ricerca che stanno provando a sviluppare organoidi sempre più efficienti e precisi da usare come test preclinici (tra questi anche il progetto di ricerca triennale italo-austriaco PreCanMed nato nel 2017). Un altro esempio lo racconta Loredana Puca, ricercatrice italiana che oggi lavora alla Cornell University di New York nel team di Himisha Beltran, che di recente ha firmato un lavoro pubblicato su Nature Communications (Patient derived organoids to model rare prostate cancer phenotypes).

Il primo obiettivo della ricerca era ricreare un organoide del cancro della prostata neuroendocrino (visibile anche nella foto, crediti: Loredana Puca ,Weill Cornell Medicine, Wcm), tumore molto raro e aggressivo che rappresenta il 10-20% dei tumori prostatici resistenti. Una forma difficile da studiare proprio perché i soggetti coinvolti nei trial sono pochi e al momento non esiste un modello preclinico valido. “Finora per curarlo si è utilizzata la stessa terapia del carcinoma polmonare a piccole cellule (chemioterapia), ma la possibilità di avere una cura che miri a un target specifico va da sé, sarebbe molto meglio. Per arrivarci però bisogna prima conoscere la biologia del tumore e per farlo serve un modello. L’idea è colmare il gap usando gli organoidi derivati da paziente”.

Primo step: la validazione

Gli organoidi possono imitare un tessuto in 3D riproducendo tutte le strutture che formano l’organo, oppure fungere da “micrometastasi”. Nel secondo caso le cellule tumorali prelevate da biopsia del paziente vengono trattate in laboratorio. E poi fatte crescere dentro una matrice fino ad ottenere una mini metastasi esterna al paziente. Puca e colleghi hanno prelevato, tramite biopsia, frammenti di piccolissime dimensioni da metastasi epatiche o ossee da 34 pazienti con tumore metastatico della prostata. Alcuni con carcinoma neuroendocrino. Dopodiché hanno confrontato il “tumore in provetta” con quello originale dei malati per verificare la validità dell’organoide come modello preclinico: primo obiettivo del progetto cui stanno lavorando da oltre tre anni.

“Lo studio sul tumore raro della prostata fa parte di un programma che mira a sviluppare organoidi a partire da metastasi di diversi tessuti tumorali – afferma Puca – durante questi anni per prima cosa abbiamo verificato la stabilità dell’avatar. Abbiamo visto che sia i marker istologici caratteristici di questo sottotipo tumorale, sia le alterazioni genomiche sono rimaste stabili nel tempo. Risultato che non si ha con le classiche linee cellulari che a lungo andare accumulano mutazioni. E perciò non sono più rappresentative di quel particolare cancro e non corrispondono più a nessun particolare paziente. Il lavoro apre una via per testare i farmaci sull’avatar; ma anche per modificare geneticamente l’organoide e capire perché dal punto di vista biologico e molecolare si sviluppa il tumore”.

Gli organoidi come pre-screening

Una volta certi della validità del modello, i ricercatori hanno testato sull’organoide 129 trattamenti approvati dalla Fda o in fase sperimentale per altre forme tumorali. L’idea era identificare farmaci da poter usare come potenziale nuova terapia anche sul sottogruppo di pazienti affetti da carcinoma prostatico neuroendocrino. Un punto di partenza per eventuali nuovi trial futuri. Ma anche un risultato che probabilmente non sarebbe stato possibile ottenere solo con la sperimentazione in vivo. “Perché esaminare tutti quei composti nell’animale è impossibile – precisa Puca – sia perché ne dovremmo usare troppi, sia perché la sperimentazione avrebbe un costo troppo elevato. Utilizzare gli organoidi come pre-screening permette di identificare le molecole che funzionano meglio, per poi testarle in vivo. Così vengono effettuati due step importanti con modelli rilevanti e con minor tempi e costi”.

La ricercatrice italiana racconta inoltre che l’avatar è stato usato anche per effettuare modifiche biologiche per comprendere meglio la funzionalità del tumore. “C’è una molecola driver che sappiamo essere altamente espressa nel tumore in esame” continua. “Noi ne abbiamo ridotto l’espressione manipolando l’organoide e abbiamo visto che così cambiavano una serie di programmi molecolari associati al tumore. L’idea è studiare il fenotipo e anche modificarlo per capire meglio la biologia della malattia e renderla meno aggressiva”.

I limiti

Ovviamente esistono anche limiti, ben noti ai ricercatori che già da tempo sono all’opera per superarli. Prima di tutto l’esigua quantità di materiale prelevato con la biopsia, che è sempre molto scarso perché si cerca di essere il meno invasivi possibile sui pazienti. La biopsia inoltre permette di avere una fotografia del tumore ma non di seguirne l’evoluzione nel tempo. Per questo i ricercatori stanno puntando allo sviluppo dell’organoide a partire da cellule tumorali circolanti nel sangue. Facilmente reperibile con un prelievo e in grado di fornire un monitoraggio continuo del cancro.

“Ci sono gruppi che stanno iniziando a considerare questa opzione” afferma Puca. Un altro limite è la possibilità di creare un avatar in simultanea all’esigenza di trattamento del paziente. Per essere di aiuto a individuare la terapia migliore per quel soggetto, l’organoide infatti deve essere sviluppato in tempi brevi. E fornire informazioni prima del trattamento. Puca conferma che i ricercatori sono già a lavoro: “I tempi di sviluppo di un organoide variano a seconda del tipo di cancro e la velocità di crescita è diversa da uno all’altro” spiega. “Ottimizzare e standardizzare la tempistica di sviluppo degli organoidi rappresenta un punto chiave per il successo di questa metodica”.

Verso un miglioramento della tecnica

Senza dubbio i ricercatori impiegati sul campo in futuro dovranno dedicarsi al perfezionamento della tecnica e a sviluppare clinical trial paralleli. Per dimostrino la validità dell’avatar come modello preclinico per i singoli tumori. Ogni tumore è infatti una storia a sé, così come i rispettivi organoidi. Per questo ogni singolo avatar tumorale avrà bisogno di test di efficacia. Difficile quindi stabilire tra quanto tempo entreranno nella pratica clinica e per quali forme. Anche nel laboratorio newyorkese dove lavora Puca è stato fatto qualche confronto tra pazienti in clinical trial e avatar, mostrando risposte simili. Si tratta solo di piccoli casi usati come validazione del modello.

“L’idea futura – conclude – è avere paziente e modello insieme e fare un co-clinical trial. Intanto pensiamo anche a come migliorare la tecnica. Cercando di ottenere un numero di cellule sufficiente per poter testare i farmaci in tempo reale al trattamento del paziente. L’avatar inoltre potrebbe essere utile anche per le aziende, i centri di ricerca e l’accademia oltre che per i pazienti. Basti pensare a tutti quei clinical trial che non vanno a buon fine. Perché non si ha a disposizione un buon modello preclinico su cui testare nuove terapie”.

Dal numero 160 di luglio/agosto del magazine