“Alternativa etica e scientificamente superiore alla sperimentazione animale”, creato il primo polmone umano su chip
È nato il primo polmone umano su chip che respira utilizzando cellule geneticamente identiche, derivate dalle cellule staminali di una sola persona. Non si tratta solo di un prodigio dell’ingegneria, ma di una vera e propria “controfigura” biologica che promette di mandare in pensione i vecchi metodi di sperimentazione. A realizzare l’innovativo modello di polmone è stato un gruppo di ricercatori del Francis Crick Institute e di AlveoliX, in uno studio pubblicato sulla rivista Science Advances. Il nuovo chip simula i movimenti respiratori e le patologie polmonari, consentendo così di testare trattamenti per infezioni come la tubercolosi e nuove terapie personalizzate.
Il dispositivo è a tutti gli effetti un capolavoro di microfluidica, la scienza che studia e manipola fluidi in canali di dimensioni micrometriche. All’interno di una struttura in polimero flessibile, i ricercatori sono riusciti a ricreare l’ambiente frenetico dei nostri polmoni. C’è tutto: il passaggio dell’aria, il flusso sanguigno e, soprattutto, il movimento meccanico. Questo chip, infatti, “respira”: si contrae e si espande proprio come fanno i nostri alveoli quando inaliamo ossigeno. Ma non è solo questo movimento a rendere il nuovo modello di polmone umano una vera innovazione. Grande merito va anche ai “materiali” con cui è stato creato.
Fino ad oggi, i modelli di organi su chip erano una sorta di “Frankenstein” cellulare, composti da tessuti provenienti da donatori diversi. Questo creava un rumore di fondo genetico: era difficile capire se una reazione fosse dovuta al farmaco o alle differenze biologiche tra le cellule. La svolta del nuovo modello consiste nell’aver utilizzato cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) provenienti dallo stesso individuo per generare sia le cellule dell’epitelio polmonare, quelle che “toccano” l’aria, sia quelle dell’endotelio vascolare, cioè quelle che “toccano” il sangue.
Queste cellule epiteliali ed endoteliali sono state coltivate separatamente sulla parte superiore e inferiore di una membrana molto sottile, all’interno di un dispositivo prodotto dall’azienda biotecnologica AlveoliX, per ricreare una barriera alveolare. Per simulare ulteriormente il polmone umano, AlveoliX ha progettato macchinari specializzati in grado di imporre forze di stiramento ritmiche tridimensionali sulla barriera alveolare ricreata, imitando il movimento respiratorio. Questo stimola la formazione di microvilli, una caratteristica fondamentale delle cellule epiteliali alveolari, aumentando la superficie utile alle funzioni polmonari.
Successivamente, gli scienziati hanno aggiunto al chip cellule immunitarie chiamate macrofagi, anch’esse prodotte dalle cellule staminali dello stesso donatore, prima di introdurre i batteri della tubercolosi per simulare le fasi iniziali della malattia. Nei chip infettati, il team ha rilevato grandi cluster di macrofagi contenenti nuclei necrotici: un gruppo di macrofagi morti al centro, circondati da macrofagi vivi. Infine, cinque giorni dopo l’infezione, le barriere cellulari endoteliali ed epiteliali sono collassate, dimostrando che la funzionalità degli alveoli era compromessa.
Alla fine, i ricercatori hanno creato un sistema perfettamente armonizzato, in cui ogni parte parla la stessa lingua genetica. È il “sosia” perfetto del paziente, racchiuso in una minuscola tecnologia.
“Data la crescente necessità di tecnologie non animali, gli approcci organo-su-chip stanno diventando sempre più importanti per ricreare i sistemi umani, evitando differenze nell’anatomia polmonare, nella composizione delle cellule immunitarie e nello sviluppo delle malattie tra animali ed esseri umani”, spiega Max Gutierrez, responsabile del Laboratorio sulle interazioni ospite-patogeno nella tubercolosi presso il Crick e autore senior dello studio. “Composti da cellule geneticamente identiche, i chip potrebbero essere costruiti a partire da cellule staminali di persone con particolari mutazioni genetiche. Questo – continua – ci permetterebbe di comprendere l’impatto di infezioni come la tubercolosi su un individuo e di testare l’efficacia di trattamenti come gli antibiotici”.
Le implicazioni sono enormi. La precisione di questo chip è tale da offrire risposte molto più affidabili di quelle ottenute da un organismo non umano, come ad esempio quello di un topo. È il traguardo che la comunità scientifica insegue da decenni: un’alternativa etica e scientificamente superiore alla sperimentazione animale. In futuro, un medico potrebbe prelevare poche cellule dalla pelle, trasformarle in un polmone su chip e testare dieci diversi farmaci per curare malattie come l’asma o un’infezione grave. Inoltre, durante una pandemia, il chip permetterebbe di osservare in tempo reale come un virus attacca le cellule umane e come il sistema immunitario risponde, accelerando la creazione di vaccini e antivirali.
I risultati sulla tubercolosi sono stati promettenti. “La tubercolosi è una malattia a lenta evoluzione, con mesi tra l’infezione e lo sviluppo dei sintomi, quindi c’è una crescente necessità di capire cosa accade nelle fasi iniziali, invisibili”, spiega Jakson Luk, primo autore dello studio. “Siamo riusciti a imitare con successo questi eventi iniziali nella progressione della tubercolosi, fornendo un quadro olistico di come le diverse cellule polmonari rispondono alle infezioni. Siamo entusiasti che il nuovo modello possa essere applicato a una vasta gamma di ricerche, come altre infezioni respiratorie o il cancro ai polmoni, e ora stiamo valutando di perfezionare il chip incorporando altri importanti tipi di cellule”.
Valentina Arcovio
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