OLTRE la
SPERIMENTAZIONE
ANIMALE
Metodi di ricerca human-based //
Esistono diverse tecnologie di ricerca human-based consolidate, che svolgono già un ruolo importante nello sviluppo degli interventi terapeutici.
I notevoli progressi nelle biotecnologie, nella microingegneria, microfluidica, informatica, nella potenza di calcolo e nella rispettiva cooperazione multidisciplinare, hanno consentito lo sviluppo di nuove tecnologie e approcci, inaccessibili solo fino a pochi anni fa.
Le opzioni per lo studio delle malattie umane negli esseri umani sono in costante crescita e sono sempre più supportate e finanziate. Se questo è vero per la maggior parte dei Paesi europei, purtroppo non è altrettanto per l'Italia, che tende a rimanere indietro. Segue una breve descrizione delle principali metodologie human-based al servizio della ricerca biomedica, che utilizzate in modo integrato rappresentano degli strumenti imprescindibili per affrontare al meglio le sfide del XXI secolo.
TECNICHE DI IMAGING / SCANSIONE AVANZATE Guarda video
Esiste una vasta gamma di tecnologie di scansione che possono rivelare i processi in vivo, in modo non invasivo, negli esseri umani. Le immagini prodotte ad elevatissima risoluzione sono particolarmente utili nello studio del cervello, delle malattie neurodegenerative come il morbo di Parkinson e l'Alzheimer. Alcuni esempi sono la Risonanza Magnetica (MRI) la Risonanza magnetica funzionale, (fMRI), la tomografia assiale computerizzata (TAC) con ricostruzione tridimensionale, la tomografia ed emissione di positroni (PET). Queste tecnologie, che possono essere combinate tra loro o con altre tecniche, permettono di studiare in modo non invasivo non solo le strutture anatomiche ma anche la composizione biochimica ed il metabolismo dei vari organi.
TESSUTI RICOSTITUITI IN VITRO / INGEGNERIA TISSUTALE
I tessuti umani possono essere anche ricostituiti in vitro a partire dai singoli tipi cellulari, mirando a riprodurre l’architettura originaria del tessuto in vivo. Grazie ai recenti sviluppi delle nelle tecniche di stampa 3D, è possibile la ricostituzione di diversi tessuti umani con un livello di precisione elevato, per la ricerca scientifica.
Esempi di tessuti ricostituiti in 3D sono l’epidermide, l’epitelio corneale, orale e gengivale, l’epitelio vaginale e delle vie respiratorie. L’ingegneria tissutale è la scienza che studia la possibilità di rigenerare organi e tessuti del corpo umano. Sebbene in origine sia nata a scopi terapeutici (rigenerazione/sostituzione di tessuti o organi danneggiati), negli ultimi anni sta assumendo una grande importanza nello sviluppo di modelli sperimentali human-based per la ricerca. Sono stati già creati in laboratorio diversi tessuti o sistemi quali ad esempio il linfonodo umano o l'articolazione.
TESSUTI ED ORGANI UMANI
Le materie prime di origine umana possono essere ottenute e utilizzate in vari modi, dalla donazione post mortem, a quella in vivo (es. DNA, sangue). Fettine intatte di tessuto umano, ottenute eticamente da pazienti sottoposti ad interventi chirurgici o biopsie, possono essere mantenute in laboratorio in modo che preservino la loro funzione. Le biopsie tumorali, ad esempio, possono essere utilizzate per vedere se un farmaco si è legato al target molecolare previsto. Il confronto tra organi donati, sani e malati può fornire importanti informazioni sui processi patologici. Anche le cellule staminali di origine umana hanno un'enorme utilità nella ricerca.
CELLULE STAMINALI PLURIPOTENTI INDOTTE (iPSCs)
Le cellule staminali pluripotenti sono cellule "immature" in grado di differenziarsi nei diversi tipi cellulari che compongono l'organismo. Visto che normalmente questo tipo di cellule si trova all'interno dell'embrione ai primi stadi di sviluppo, fino a non molti anni fa, per l'ottenimento di cellule staminali pluripotenti umane sarebbe stato necessario distruggere degli embrioni umani; ciò ne limitava molto l'utilizzo per questioni etiche. Grazie alle scoperte del gruppo del Prof. Yamanaka dell'Università di Kyoto (Giappone, 2007), oggi le iPSCs possono essere ricavate direttamente a partire dalle cellule del paziente, ad esempio quelle del derma della pelle e differenziate in una grande quantità di tipi cellulari del corpo umano (come ad esempio cellule neuronali, pancreatiche, cardiache ed epatiche), senza dover ricorrere agli embrioni. Spesso la ricerca è limitata dalla difficoltà di accesso a pazienti e dalla ridotta disponibilità di tessuti freschi. Le iPSCs possono essere impiegate quali fonti per la produzione indefinita di tutti quei tipi cellulari altrimenti inaccessibili o a limitata sopravvivenza. Inoltre con le iPSCs è possibile fare qualcosa che non è mai stato possibile fare nella storia della ricerca biomedica: ottenere virtualmente tutti i tipi cellulari dallo stesso paziente. Dato che le iPSCs hanno gli stessi geni e mutazioni dei pazienti dai quali provengono, i ricercatori possono usare le iPSCs per ricreare le malattie in laboratorio e studiare come la genetica di un paziente e le condizioni ambientali contribuiscano alla sua malattia, aprendo le porte ad una nuova era nella medicina personalizzata.
ORGANOIDI UMANI
Un organoide è un cluster cellulare in vitro in 3D, una versione semplificata e su scala ridotta di un organo, che ne ricapitola l’architettura e la funzione negli aspetti più salienti.
Un organoide ha una complessa struttura multicellulare dove le cellule, quando sottoposte ad adeguati stimoli biochimici in vitro, si differenziano, si auto–assemblano e si auto–organizzano in tessuti, ricapitolando ciò che accade nell’embrione nelle prime settimane di sviluppo. Essi possono trovare impiego in:
- studio del meccanismo regolatorio dell’organogenesi;
- modellizzazione dei disturbi umani:
a) malattie infettive;
b) malattie ereditarie;
c) neoplasie.
- test di tossicità ed efficacia farmacologica;
- medicina personalizzata;
Sono stati sviluppati diversi tipi di organoidi, tra cui quelli cerebrali.
Gli organoidi possono essere prodotti a partire dalle cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs), ricavate dai pazienti.
BIOREATTORI FLUIDICI
Sono sistemi in vitro avanzati che grazie alla presenza di un circuito fluidico e di una pompa peristaltica permettono l’interazione dinamica tra colture e co–colture cellulari, alloggiate in camere o moduli, collegati tra loro. Ogni modulo rappresenta un organo del corpo umano e connettendo i moduli tra loro in serie o in parallelo attraverso un circuito fluidico che mima il flusso sanguigno è possibile modellare l’interazione tra organi e sistemi similmente a quanto accadrebbe in vivo.
SISTEMI MICROFISIOLOGICI
Il concetto di sistema microfisiologico (organi su chip, corpo umano su chip) si è recentemente evoluto ed è descritto come un sistema di colture cellulari, ognuna a rappresentare un tessuto o un organo che interagiscono tra loro a diversi livelli su un microchip, attraverso un circuito microfluidico, in condizioni strettamente controllate. Grazie ai sensori integrati, è possibile il monitoraggio in tempo reale delle risposte cellulari agli stimoli meccanici o chimici con un controllo più preciso dell’ambiente cellulare rispetto ai metodi convenzionali. Il sistema permette di mimare le interazioni tra cellule, tessuti (organ on a chip) ed addirittura organi e sistemi diversi (human on a chip), e di fornire gli stimoli meccanici, strutturali e biochimici adeguati, riproducendo a tutti i livelli ciò che accadrebbe in vivo. L’utilizzo di cellule prelevate dal singolo paziente per l’assemblaggio di human on a chip personalizzati rappresenta una delle più grandi promesse per il prossimo futuro della medicina.
SCIENZE "OMICHE"
Le scienze “omiche” si occupano dello studio di pool di molecole biologiche (es.acidi nucleici, proteine, enzimi) in determinati campioni biologici (per esempio, siero, urine, liquor, saliva, tessuti). Esse analizzano, nel loro insieme: (a) i geni del DNA (genomica) e le loro funzioni (genomica funzionale); (b) i trascritti del DNA, cioè l’RNA (trascrittomica); (c) le proteine (proteomica); (d) i metaboliti all’interno di un organismo (metabolomica). Studiano anche le interazioni tra queste molecole (interattomica) e tra queste molecole ed i fattori ambientali (esposomica), i nutrienti (nutrigenomica), i fattori epigenetici (epigenomica), ecc. Lo scopo di tale approccio olistico è quello di poter comprendere operando con approcci integrativi, principi operativi di livello più elevato, che nel complesso definiscono la biologia dei sistemi. Ciò al fine di potere rispondere a domande biologiche gerarchicamente più complicate (per esempio, patogenesi, storia naturale o successo terapeutico e prognosi di una malattia). Si avvalgono dell’impiego di tecniche di analisi genetica comparativa (array-CGH) o di variazioni del numero di copie di determinati tratti del DNA (CNV) o di sequenziamento del DNA o computazionali che analizzano dati di decine, centinaia o migliaia di molecole/campioni.
METODI COMPUTAZIONALI
I sistemi umani, dai singoli organi a tutto il corpo, possono essere simulati utilizzando programmi informatici altamente sofisticati. Questi vengono creati utilizzando i dati ottenuti dalle persone. Simulazioni al computer sono state sviluppate, ad esempio, per prevedere il comportamento di un farmaco nel sistema digestivo. È probabile che queste simulazioni prevedano tali effetti nell'uomo in modo più accurato rispetto ai modelli animali e in un modo molto più efficiente.
DATI CLINICI
I dati clinici e l'osservazione sono sottoutilizzati in modo sistematico, tra cui le informazioni raccolte da procedure non invasive (come il prelievo di sangue o di urine). I dati di questo tipo di intervento, su pazienti consenzienti che devono sottoporsi a determinate procedure mediche, potrebbero essere raccolti in modo molto più efficiente di quanto non avvenga attualmente.
MICRODOSING
Una delle caratteristiche più importanti di un candidato farmaco è il suo profilo farmacocinetico, ovvero il modo in cui il farmaco viene assorbito, distribuito, metabolizzato, escreto dall’organismo umano. Purtroppo i dati farmacocinetici forniti dai modelli preclinici tradizionali, che siano in vitro o in vivo (modelli animali) spesso non sono affidabili, in quanto non rilevanti per la biologia umana. Non a caso, la maggiore causa di fallimento nello sviluppo dei farmaci viene attribuita all’incapacità di ottenere precocemente dati farmacocinetici rilevanti per l’uomo. Concentrazioni troppo basse di farmaco a livello dell’organo target, per un tempo troppo breve, possono essere causa di inefficacia mentre concentrazioni troppo elevate, per un tempo troppo lungo, potrebbero indurre effetti tossici.
Un approccio sperimentale utile a superare questi problemi è il microdosing, che consiste nella somministrazione a volontari sani di dosi estremamente piccole, non attive farmacologicamente, di un determinato farmaco per stabilirne il profilo farmacocinetico nell’uomo. Il microdosing si basa su tecnologie analitiche ultrasensibili capaci di misurare quantità e concentrazioni infinitesimali (dell’ordine del picogrammo o del femtogrammo, cioè un billionesimo di grammo e un un milionesimo di miliardesimo di grammo!) di farmaco e di metaboliti. Le tecnologie più utilizzate a questo scopo sono la cromatografia liquida in associazione con la spettrometria di massa in tandem, la spettrometria di massa ultrasensibile con acceleratore e la tomografia ad emissione di positroni (PET).
EPIDEMIOLOGIA
L'epidemiologia comporta lo studio di un numero significativo di persone per un periodo di anni, confrontando stili di vita, geni, interventi medici, ambiente, stato sociale, ecc. Rimane uno strumento potente con un enorme potenziale e ha già prodotto risultati estremamente preziosi, tra cui il legame tra fumo e cancro ai polmoni. Alla luce dei moderni approcci omici come l'esposomica, l'epidemiologia può servirsi di strumenti impensabili solo fino a pochi anni fa.
Per approfondimenti sul tema: scarica gratuitamente i Quaderni O.S.A. dedicati oppure acquista il libro: Cassotta, M. and Marchi, V. (2019). Le nuove frontiere della scienza. Modelli sperimentali per la ricerca biomedica del xxi secolo. Ed. Aracne.
Approccio integrato. Vista schematica di come i nuovi approcci metodologici human-based, gli strumenti avanzati e le letture possono essere applicati nella ricerca biomedica per promuovere una comprensione dell'eziopatogenesi delle malattie umane. L'optogenetica prevede l'uso della luce per monitorare le cellule nei tessuti viventi (in genere neuroni) che sono state geneticamente modificate per esprimere canali ionici sensibili alla luce. Abbreviazioni: CSF, liquido cerebrospinale; GEP, profilo di espressione genica; GWAS, studio sull'associazione genomica; HCI, imaging ad alto contenuto; IC, immunocitochimica; IH, immunoistochimica; iPSC, cellule staminali pluripotenti indotte; MEA, array multielettrodo; RM, risonanza magnetica; PET, tomografia ad emissione di positroni.
Fonte: https://www.altex.org/index.php/altex/article/view/1301