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.

I corpi consistono di organi complessi interconnessi in sistemi che non possono essere simulati da semplici colture cellulari.
Mikael Häggström, previa autorizzazione /di dominio pubblico

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.

Cosa è il principio delle 3R?

3R sta per

  • Rimpiazzare i modelli animali con metodiche alternative.
  • Ridurre al minimo il numero delle cavie da utilizzare in ricerca migliorando il disegno sperimentale.
  • Rifinire gli esperimenti per ridurre pericoli e stress negli animali da laboratorio.   

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.

Un laboratorio di ricerca  di microfluidica e  organoidi 3D osservati al microscopio.
A sinistra: Un laboratorio di ricerca di microfluidica che combina colture cellulari e le ingegnerizza per creare nuovi approcci come i dispositivi organo-su-chip . A destra: un organoide 3D analizzato al microscopio.
© Norman Ertych

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.

Figura 1: Diversi sistemi modello usati in ricerca biomedica: colture cellulari 2D , colture cellulari 3D, sistemi organo-su-chip, modelli animali e studi sull’uomo. Generalmente i sistemi più semplici sono quelli con minore rilevanza fisiologica.
Lida Ebrahimi, da un’immagine pubblicata originariamente in Ref. [3].

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).

Figura 2: Dispositivi di microfluidica che forniscono una rilevanza fisiologica elevata mediante somministrazione di nutrienti e parametri come concentrazione dei gas, carico meccanico, o pH. Questi paramentri possono essere misurati tramite sensori.
Lida Ebrahimi

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.

Foto di dispositivi organo-su-chip singoli o multipli.
Un esempio di dispositivo organo-su-chip sviluppato dall’Istituto Federale Tedesco per la Valutazione del Rischio. A sinistra: singola unità. A destra: 4 unità in parallelo connesse a dispositivi periferici (pompe, sensori, serbatoi etc.)
©Norman Ertych

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.

Schema che illustra come sistemi multi-organo-su-chip, usati in sequenza, possono essere sfruttati come modello del corpo umano.
Figura 3: I sistemi organo-su-chip combinano colture cellulari 2D o 3D o espianti di tessuto con dispositivi di microfluidica, il che può includere parametri biologici fondamentali come la perfusione o le forze meccaniche. Quando più sistemi organo-su-chip sono combinati, si costruisce una piattaforma multi-organo. Questo integra la comunicazione inter-organo e quindi simula il corpo umano.
Lida Ebrahimi

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.


References

[1] Warren HS et al. (2015) Mice are not men. Proc Natl Acad Sci U S A. 112:E345. doi: 10.1073/pnas.1414857111

[2] Russell WMS, Rex LB (1959) The principles of humane experimental technique. London, Methuen.

[3] Jackson EL, Lu H (2016) Three-dimensional models for studying development and disease: moving on from organisms to organs-on-a-chip and organoids. Integr Biol 8: 672–683. doi: 10.1039/c6ib00039h

[4] Schimek K et al. (2020) Human multi-organ chip co-culture of bronchial lung culture and liver spheroids for substance exposure studies. Scientific Reports 10:7865. doi: 10.1038/s41598-020-64219-6

[5] Xiao S et al. (2017) A microfluidic culture model of the human reproductive tract and 28-day menstrual cycle. Nat Commun 8:14584. doi: 10.1038/ncomms14584

Resources

  • Tour virtuale dei laboratori coinvolti nello sviluppo della tecnologia organo-su-chip dell’EUROoC International Training Network
  • Video sui dispositivi organo-su-chip della School of Engineering and Applied Science, dell’Università della Pensilvenia
  • Approfondimenti sugli organismi modello.
  • Alla scoperta delle fasi di sviluppo di un farmaco e della tecnologia organo-su-chip con questo video illustrativo.
  • Approfondimenti su come la progettazione dei farmaci sta cambiando.

Author(s)

Sarah Schmerbeck e Frank Schulze hanno contribuito in maniera eguale a questo articolo.

Sarah Schmerbeck ha studiato alla Free University di Berlino. Lavora allo sviluppo di sistemi di test alternativi agli esperimenti su animali, presso il Centro Tedesco per la Protezione degli Animali da Laboratorio (Bf3R), parte dell’Istituto Tedesco per la Valutazione del Rischio (BfR).

Dr. Ing. Frank Schulze ha conseguito un dottorato in Biotecnologie presso la Technical University di Berlino nel 2015. Il suo attuale progetto lavorativo, presso il BfR/Bf3R, consiste nell’ideare un sistema osso-su-chip, come alternativa agli esperimenti sugli animali, per studiare la formazione dell’osso durante la rigenerazione e lo sviluppo.

Julia Scheinpflug è una dottoranda presso il BfR/Bf3R. Ha studiato biotecnologia alla University of Technology di Brandenburgo e si occupa di approcci avanzati di ingegneria tissutale e di ricerca sulle cellule staminali. Attualmente si dedica allo sviluppo di organoidi 3D per creare un sistema osso-su-chip.

Lida Ebrahimi ha conseguito un MFA in arte e disegno multimediale presso la Bauhaus-Universität Weimar. Dal 2018, lavora come illustratorice, animatrice e grafica presso il BfR/Bf3R.


Review

L’articolo offre degli spunti interessanti riguardo la necessità e le difficoltà legate all’uso degli animali nella ricerca scientifica e come gli scienziati hanno ideato nuovi metodi per ridurne l’utilizzo. Sebbene gli studenti possano conoscere i principi delle 3R, potrebbero non sapere come gli scienziati cercano di rispettarli. Questo articolo dimostra come la tecnologia organo-su-chip è usata per lo sviluppo di sistemi di test alternativi sulla sperimentazione animale.

L’articolo potrebbe essere perfetto per discutere sui seguenti temi:

–  Bioetica: in che misura l’uso degli animali nella ricerca dovrebbe essere evitato? (Collegarsi alla conoscenza teorica del baccalaureato internazionale e/o ai valori etici).

– Progresso Scientifico: quanto sono affidabili i modelli per lo sviluppo scientifico? (Collegarsi alla chimica e fisica).

– Interdisciplinarietà della scienza: in che misura il progresso della ricerca biologica dipende da altre discipline come l’ingegneria o la matematica?

Domande di comprensione:

Perchè gli scienziati devono usare gli animali per lo sviluppo di nuovi farmaci?

Quali sono le preoccupazioni principali quando si utilizzano animali a scopo di ricerca?

Spiegare il principio delle 3R.

Quali sono i principali vantaggi dell’uso dell’organo-su-chip? Elencare alcuni limiti.

Germán Tenorio, vicedirettore e IB Biology Workshop Leader, presso la Alameda de Osuna International School, in Spagna.

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