Organi su chip: la medicina personalizzata si può fare anche così

Una tecnologia che potrebbe far risparmiare fino a cinque anni di tempo e fino al 20% del costo totale di sviluppo di un farmaco (in miliardi di euro) più solide conoscenze su cui basare le delicate fasi iniziali della sperimentazione e al contempo essere strumento per una medicina sempre più personalizzata. Dieci anni fa la biologa Geraldine Hamilton durante il suo talk a Ted l’aveva chiamata “organo su chip”. L’allora Ceo di Emulate, uno spin-off dell’Università di Harvard, aveva presentato un lavoro che aveva riunito ricercatori di diversi ambiti, nato da una vera e propria interconnessione di competenze biomedicali, frutto di uno specifico know-how proveniente dal campo dell’ingegneria elettronica, biomedica e della fisica. Trattasi di un organo su chip che qualcuno ha definito anche micro-bioreattore e che in alcuni casi viene chiamato sistema microfisiologico (microphysiological system, Mps). In pratica un modello multicellulare che riproduce determinate parti di un tessuto e le sue funzioni di base.

Il dispositivo, che ha all’incirca le dimensioni di una batteria AA, consente la coltura 3D di differenti tipi di cellule che costituiscono un organo; sul chip è possibile inserire sia cellule sane che malate, come ad esempio le cellule tumorali. Queste sono poste in un chip microfluidico, ossia un chip con piccoli canali in cui è possibile manipolare con precisione piccole quantità di fluidi; attraverso questi canali i nutrienti e il fluido raggiungono le cellule che si trovano all’interno delle camere di coltura, mentre i metaboliti e i detriti cellulari vengono rimossi.

Alcuni di questi dispositivi sono in grado di riprodurre le forze biomeccaniche a cui i nostri organi sono soggetti, come i tessuti polmonari, il tessuto cardiaco, muscolare e scheletrico. Nei modelli di organo su chip possono essere pertanto riprodotti sia i microambienti biochimici, sia quelli biomeccanici che influenzano le attività cellulari, mimando ciò che succede nel corpo umano. La capacità di incorporare sensori in tempo reale come microelettrodi o marcatori di microscopia ottica (ad esempio biomarcatori fluorescenti) permette di monitorare la salute e l’attività cellulare. La trasparenza del chip consente ai ricercatori di vedere la funzionalità, il comportamento e la risposta del tessuto studiato, a livello cellulare e molecolare.

Si parte con il polmone

Le cellule polmonari sono state le prime ad essere “ospitate” su questo dispositivo, ma centri di ricerca e laboratori di tutto il mondo hanno presto sviluppato vari organi su chip: l’intestino, la pelle, il cervello, il rene, il pancreas, l’endometrio, il muscolo su chip, l’occhio su chip, il midollo osseo su chip. Nel giro di pochi anni è diventato possibile connettere diversi modelli per simulare l’interazione tra organi e tessuti, i cosiddetti multi-organo su chip, e recentemente si è riusciti a simulare e connettere la maggior parte degli organi e tessuti presenti nel corpo umano, con lo scopo di avere un vero e proprio corpo umano su chip.

L’Interrogator del Wiss Institute di Harvard è lo strumento in grado di coltivare fino a dieci diversi organi su chip e trasferire fluidi tra i loro canali vascolari rivestiti di tessuto endoteliale, per imitare il normale flusso sanguigno umano tra i diversi organi del corpo. Un altro esempio recente è quello sviluppato alla Columbia University dal team guidato dalla professoressa Gordana Vunjak-Novakovic: cuore umano, ossa, fegato e pelle ingegnerizzati collegati dal flusso vascolare con le cellule immunitarie circolanti. I ricercatori hanno essenzialmente creato un chip multiorgano plug-and-play, che può essere personalizzato in base al paziente. Poiché la progressione di una malattia e le risposte al trattamento variano notevolmente da una persona all’altra, l’équipe auspica che un chip di quel tipo potrà consentire l’ottimizzazione della terapia per ciascun paziente.

La crescita del mercato

Ricercatori e case farmaceutiche stanno testando le potenzialità e applicazioni degli organi su chip: dal controllo del microambiente cellulare, allo studio dei meccanismi fisiologici e patologici (tumori, malattie genetiche), all’identificazione delle risposte umane a farmaci, tossine e segnali ambientali; allo studio di nuove molecole e alle indagini per il riutilizzo di farmaci esistenti per nuove applicazioni mediche. Prestigiose riviste scientifiche come Science e Nature stanno ospitando svariati studi da tutto il mondo su questa tecnologia che si sta dimostrando utile nella comprensione di fenomeni ancora sconosciuti o non pienamente compresi. Il mercato degli organi su chip, valutato a 103 milioni di dollari nel 2020, sta crescendo del 31% all’anno, secondo un recente rapporto di Allied Market Research. Le stime attuali suggeriscono che raggiungerà un valore di 1,6 miliardi di dollari entro il 2030.

L’oncologia è il campo in cui ci si sta aprendo a un largo impiego di organi su chip. Sono stati ad esempio creati modelli che imitano l’ambiente tumorale del glioblastoma, comprese le cellule immunitarie, i micro-vasi cerebrali, i macrofagi associati al tumore. In un altro esempio, è stato possibile valutare spazio-temporalmente le caratteristiche dell’angiogenesi tumorale in pazienti con carcinoma renale. Con un multiorgano su chip si sono svolti test di efficacia e tossicità di vari agenti antitumorali: il sistema conteneva un design con più organi, comprese cellule derivate da tumori solidi e leucemia, per studiare gli effetti degli agenti antitumorali sul loro bersaglio, nonché gli effetti tossici su altri organi.

Organi su chip e organoidi

Che differenza c’è tra l’approccio con l’organo su chip e quello con gli organoidi? A fare chiarezza è Luca Businaro, scienziato dell’Istituto di nanotecnologie del Cnr e presidente della neocostituita Società italiana Organi su Chip (SIOoC, di cui fanno parte rappresentanti delle aziende IvTech, Biomimx e React4life oltre a Cnr, Iss, Politecnico di Milano, Politecnico di Torino, Ospedale San Raffaele, Università Campus Bio-Medico, Università Tor Vergata, Università Federico II, Università Ca’ Foscari).

Dice Businaro: “Gli organoidi sfruttano la capacità delle popolazioni cellulari di auto-aggregarsi per costruire un ambiente simile a quello di partenza, invece negli organi su chip questo si ottiene inserendo le cellule in un ambiente artificiale costruito pensando al sistema che si vuole rappresentare (camere di coltura, canali, ecc.). Il mio gruppo di ricerca, come tanti altri, usa organoidi dentro i chip in una configurazione ibrida. Ci sono esempi che riportano uno o l’altro modello usato con efficacia, ad esempio ricostruire il tessuto cardiaco su un chip può aiutare a studiare meglio la meccanica del sistema o a piazzare degli elettrodi per misurare l’attività muscolare, mentre usare gli organoidi può essere più fisiologico in quanto non toccano le strutture del chip – esempio molto semplicistico – e riflettono meglio la risposta ai farmaci. I due modelli possono essere complementari oppure usati separatamente”.

Sicuramente l’approccio su chip è relativamente semplice e si traduce, come spiega ancora Businaro, nel “mettere in contatto diversi organi e ottenere, in prospettiva, un modello che incorpori al suo interno anche la parte di comunicazione chimica e fisica tra di essi fornendo così un modello più rispondente alla realtà”.

Una risposta alla crisi dei modelli?

In quanto sistema in vitro, gli organi su chip non possono catturare in modo completo l’intera fisiologia di un organo o del corpo umano. Tuttavia, come affermato in un recente articolo su Nature Reviews Methods Primers “c’è una forte necessità di sistemi di test simili a quelli umani nell’industria farmaceutica. Allo stesso modo, le industrie cosmetiche, alimentari e chimiche trarranno enormi benefici dalle tecnologie organi su chip sia per la produzione che per i test, poiché la società cerca alternative in vitro umanizzate alla sperimentazione animale”.

Neppure le avanzate tecniche di colture cellulari 3D riescono a ricreare le caratteristiche cruciali degli organi viventi, come le simulazioni meccaniche del microambiente cellulare. Ancora più in crisi è il modello animale che ha da tempo mostrato i propri limiti: alcune tecnologie, come la terapia genica o gli anticorpi monoclonali, non sono ben applicabili nei modelli animali. Allo stesso modo, le risposte ai vaccini spesso non sono rappresentative nei modelli animali; molti scienziati ritengono inoltre che non sia pienamente possibile studiare il microbiota umano negli animali, mentre invece si può coltivare il microbiota umano usando organi su chip.

La via alternativa alle sperimentazioni sugli animali?

Gli organi su chip possono rappresentare la soluzione, parziale o totale, al dilemma – anche etico – della sperimentazione sugli animali. Un percorso che trova favorevoli le istituzioni europee. Il Parlamento Europeo sta infatti spingendo l’utilizzo di metodologie in vitro alternative a quelle esistenti e che possano eliminare le sperimentazioni sugli animali (in Unione Europea è vietata da ormai un decennio la vendita di cosmetici testati su animali, come è vietato testare trucchi, creme, saponi e profumi su animali). E potrebbero sostituire le sperimentazioni animali a cui ancora si ricorre quando enti, come l’Agenzia europea delle Sostanze chimiche, richiedono numerosi test per garantire l’uso sicuro di composti chimici e assicurare la competitività dell’industria europea.

Nel 2021 il Parlamento Europeo ha adottato una risoluzione per stabilire un piano di azione, sollecitando la Commissione a creare un tavolo con tutti gli stakeholder con l’obiettivo di guidare l’eliminazione graduale della sperimentazione “riducendo, perfezionando e sostituendo (reducing, refining and replacing) le procedure sugli animali vivi a fini scientifici e normativi.

Le aziende italiane emergenti

InSphero (Svizzera, 2009), TissUse (Germania, 2010) e Mimetas (Paesi Bassi, 2011) sono state le prime aziende europee di organi su chip. In Italia alcune biotech si stanno distinguendo nel panorama dei developer ottenendo riconoscimento a livello internazionale. Per citarne alcune: IVTech, una biotech fondata nel 2014 da quattro bioingegneri, al tempo spinoff dell’Università di Pisa; React4life, start-up fondata perlopiù da ricercatori e dottorandi dell’Università di Genova, supportati da imprenditori e professori universitari; BiomimX, nata nel 2017 come spin-off del Politecnico di Milano. Spin off del Politecnico di Milano è anche MOAB, una biotech nata nel 2019.

Ivtech ha collaborazioni con l’Università di Verona e Genova: “l’Università di Verona”, racconta il Ceo e ingegnere biomedico Tommaso Sbrana, “ha sviluppato un modello di cute umana basato su biopsia, sfruttando la nostra piattaforma come valido supporto per mantenere vitale e funzionale il tessuto per lunghi periodi. Invece i progetti portati avanti dall’Università di Genova sono focalizzati sul glaucoma e a sfruttare i sistemi che commercializziamo per avere una simulazione fedele della patologia, su cui valutare l’effetto di agenti attivi protettivi dei tessuti più sensibili. Dal 2021 poi IVTech è coinvolta in un progetto Europeo, chiamato Alternative. L’obiettivo è sviluppare un modello in-vitro avanzato di cuore umano, sia in condizioni fisiologiche, sia valutandone l’invecchiamento, per testare gli effetti di sostanze chimiche e miscele delle stesse”.

L’esperienza di React4life

Maurizio Aiello, fisico, Ceo di React4life, cita collaborazioni con l’Ospedale San Raffaele, l’ospedale Bambin Gesù, l’Università di Basilea, l’Erasmus Medical Center di Rotterdam, per fare alcuni esempi. La sua azienda esporta in tutto il mondo Mivo, una piattaforma organo su chip in grado di collegare più di tre camere di coltura indipendenti e che può essere utilizzata per sviluppare diversi organi su chip.

Il dispositivo di React4life è stato utilizzato sul neuroblastoma umano, sul cancro della mammella e dell’ovaio per testare farmaci anticancro quali le chemioterapie e le immunoterapie basate sulle cellule Natural Killer (NK). L’azienda italiana ha realizzato un organo su chip per seguire passo a passo la migrazione delle cellule immunitarie NK, attraverso un flusso di fluido fisiologico, la loro infiltrazione all’interno di una matrice tumorale 3D di neuroblastoma, e l’attivazione contro le cellule tumorali.

Lo scopo del lavoro”, dicono gli autori dello studio in cui ruolo centrale ha avuto la fondatrice di React- 4life, Silvia Scaglione, è stato di “creare una coltura tridimensionale con caratteristiche che mimassero la microcircolazione dinamica all’interno del microambiente tumorale e il comportamento circolatorio delle cellule immunitarie”. Scaglione, ingegnere biomedico, ricercatrice del Cnr, sottolinea l’importanza del dialogo costante tra i developers e gli end-users: “Abbiamo vissuto gomito a gomito per anni con biologi, medici ed oncologi e quindi sappiamo veramente come lavorano in laboratorio, che bisogni hanno”.

Nella biotech Biomimx si produce il dispositivo, che contiene la possibilità di riprodurre le forze meccaniche e cui sono soggetti certi organi, e il tessuto (con patologia); fino ad oggi due piattaforme hanno ottenuto validazione: l’articolazione del ginocchio (con l’osteoatrite) e il cuore (con la fibrosi cardiaca); la pipeline della biotech inoltre si espande alla riproduzione di altre patologie cardiache e delle cartilagini, ma si sta lavorando anche sull’intestino, il polmone, il dente su chip, e su un multiorgano composto da cuore e fegato. L’azienda ha collaborazioni con diversi centri di ricerca e ospedali, come l’Humanitas, l’Ente Ospedaliero Cantonale, il Politecnico di Torino, il Politecnico di Milano.

Alle prese con il midollo osseo

Racconta la Cso della biotech Manuela Teresa Raimondi (ordinaria di Bioingegneria al Politecnico di Milano): “Stiamo validando MOAB, con un modello multi-organo, consistente in midollo osseo collegato al linfonodo, che utilizziamo per il monitoraggio della cancerogenesi di cellule staminali del sangue. Abbiamo mantenuto in coltura per tre mesi sia il modello di midollo che quello di linfonodo, e siamo riusciti a far integrare con successo cellule staminali del sangue nel modello di midollo osseo. In presenza di una trasformazione tumorale volutamente introdotta nel modello, le cellule staminali del sangue si moltiplicano staccandosi dal modello di midollo e andando ad infiltrare il modello di linfonodo. Nel MOAB riusciamo a monitorare questi eventi di trasformazione tumorale, anche se rarissimi (uno su un milione di cellule circolanti)”. MOAB sta partecipando al progetto Crack in, che coinvolge anche tre big pharma: conclusa la validazione, le case farmaceutiche si interfacceranno con il regolatore, ai fine di poter utilizzare i dati prodotti attraverso MOAB per l’approvazione di farmaci.

La mancanza di regolamentazione

A che punto siamo nel dimostrare che questi organi su chip possono sostituire i test su animali, producendo risultati utilizzabili nello sviluppo e approvazione di farmaci? A oggi non esiste una regolamentazione specifica per gli organi su chip, e senza un percorso ufficiale ci si sta affidando alle linee guida della Società europea di Organi su Chip che sono accettate dagli utilizzatori finali, in particolare le case farmaceutiche.

“Noi procediamo con una validazione tecnologica”, racconta la co-fondatrice e Ceo di Biomimx Paola Occhetta, “per dimostrare che il dispositivo fa quello che ci si aspetta debba fare. Per ogni modello biologico facciamo poi una validazione scientifica”; una volta costruito il modello si cerca infatti di capire se il suo funzionamento è paragonabile a ciò che è già stato osservato nella clinica. “I dati pubblicati su riviste peer review vengono riconosciuti dalla comunità scientifica e questa è una validazione”.

Poi c’è una validazione farmacologica realizzata in collaborazione con le case farmaceutiche: “Prendiamo il nostro modello biologico e lo stimoliamo con farmaci che sappiamo avere un effetto tossico oppure che hanno un effetto benefico e dimostriamo che nel nostro modello riusciamo a predire questi effetti noti”.

Il Ceo di Ivtech Sbrana si sofferma sulla delicata questione della standardizzazione: “Molti sforzi sono oggi compiuti per arrivare a ottenere punti di riferimento accettati a livello di regolamentazione in ambito tossicologico. Tutti questi sistemi sono riferiti alla struttura biologica in sé: non è standardizzato il loro utilizzo in piattaforme fluidiche, come ad esempio la nostra, anche se la compatibilità è accertata. “D’altro canto la presenza di numerosi modelli sviluppati a oggi rende il percorso per una standardizzazione un po’ complesso”.

Il dialogo con i regolatori

Fondamentale è la condivisione e il dialogo tra tutti gli attori coinvolti. “Parlare con la FDA è abbastanza semplice”, ammette il Ceo di React4life Aiello, “ma il dialogo con il regolatore europeo e italiano è ancora da costruire. In America sono all’avanguardia: il Senato degli Stati Uniti ad esempio ha da poco approvato il FDA Modernization Act, in cui le tecnologie alternative sono ben viste”. La FDA ha recentemente approvato un trial clinico sulla base di dati di efficacia raccolti attraverso un organo su chip; il dispositivo è stato utilizzato per imitare i meccanismi patologici di rare neuropatie autoimmuni che non possono essere replicate in modelli animali, e testare l’azione di un anticorpo per la cura di tali malattie. La casa farmaceutica ha prodotto dati preclinici di efficacia (senza quindi l’utilizzo del modello animale) che sono stati ritenuti sufficienti dalla FDA, che ha concesso poi l’autorizzazione alla sperimentazione della terapia sull’uomo.

I limiti del modello in vitro

C’è tuttavia del lavoro da fare per dimostrare la completa affidabilità e la riproducibilità di questi modelli. Si tratta di una tecnologia molto giovane, che presenta ancora limiti evidenti; bisogna pertanto procedere con cautela. “Dobbiamo sempre considerare che il modello in-vitro è per definizione un’approssimazione della realtà”, ricorda Tommaso Sbrana. “Non siamo ancora in grado di riprodurre le funzionalità complete di organi molto complessi, ma solo determinati aspetti, focalizzando l’attenzione su caratteristiche di riferimento per lo studio che dobbiamo eseguire”.

“La biologia è tra i campi in cui ci sono più temi aperti e cose da capire”, afferma il presidente della Società Italiana Organi su Chip Businaro. “Per trasferire le conoscenze in processi e prodotti che aiutino l’industria nazionale, occorre fare rete e approcciare i problemi in maniera assolutamente multidisciplinare. La Società Italiana Organi su Chip nasce proprio per creare un punto di aggregazione e dialogo scientifico da cui speriamo che nascano anche ecosistemi per lo sviluppo e lo sfruttamento di sistemi su chip”.