I ricercatori si rivolgono sempre più spesso alla tecnologia degli organi su chip per i test sui farmaci e altre applicazioni.
In una camera bianca del suo laboratorio, Sean Moore osserva al microscopio un pezzo di intestino, i cui ghirigori scuri e le strutture arrotondate spiccano su uno sfondo grigio chiaro. Questo campione non fa parte di un vero e proprio intestino; si tratta piuttosto di cellule intestinali umane su un minuscolo rettangolo di plastica, uno dei 24 cosiddetti “organi su chip” che il suo laboratorio ha acquistato tre anni fa.
Moore, gastroenterologo pediatrico presso la University of Virginia School of Medicine, spera che i chip offrano risposte a un problema di ricerca particolarmente spinoso. Egli studia il rotavirus, un’infezione comune che causa diarrea grave, vomito, disidratazione e persino la morte nei bambini piccoli. Negli Stati Uniti e in altri Paesi ricchi, fino al 98% dei bambini vaccinati contro il rotavirus sviluppa un’immunità a vita. Ma nei Paesi a basso reddito, solo un terzo dei bambini vaccinati diventa immune. Moore vuole sapere perché.
Il suo laboratorio utilizza i topi per alcuni protocolli, ma gli studi sugli animali sono notoriamente pessimi nell’identificare i trattamenti per l’uomo. Circa il 95% dei farmaci sviluppati attraverso la ricerca sugli animali fallisce nell’uomo. I ricercatori hanno documentato questo gap di traduzione almeno dal 1962. “Tutte le aziende farmaceutiche sanno che i modelli animali fanno schifo”, afferma Don Ingber, fondatore del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e uno dei principali sostenitori degli organi su chip. “La FDA sa che fanno schifo”.
Ma fino a poco tempo fa non c’era altra possibilità. Domande di ricerca come quella di Moore non possono essere affrontate eticamente o praticamente con uno studio randomizzato e in doppio cieco sull’uomo. Ora questi organi su chip, noti anche come sistemi microfisiologici, possono offrire un’alternativa davvero valida. L’aspetto è molto semplice: rettangoli di polimeri flessibili delle dimensioni di una chiavetta. In realtà sono trionfi della bioingegneria, intricate costruzioni solcate da minuscoli canali rivestiti da tessuti umani viventi. Questi tessuti si espandono e si contraggono con il flusso di fluidi e aria, imitando le funzioni chiave di organi come la respirazione, il flusso sanguigno e la peristalsi, le contrazioni muscolari del sistema digestivo.
Attualmente più di 60 aziende producono organi su chip a livello commerciale, concentrandosi su cinque organi principali: fegato, reni, polmoni, intestino e cervello. Sono già utilizzati per comprendere le malattie, scoprire e testare nuovi farmaci ed esplorare approcci personalizzati al trattamento.
Se continueranno a essere perfezionati, potrebbero risolvere uno dei maggiori problemi della medicina di oggi. “Quando si crea un farmaco, bisogna fare tre cose”, dice Lorna Ewart, farmacologa e responsabile scientifico di Emulate, un’azienda biotecnologica con sede a Boston. “Bisogna dimostrare che è sicuro. Bisogna dimostrare che funziona. Devi essere in grado di produrlo”.
Tutti i nuovi composti devono passare attraverso una fase preclinica, in cui vengono testati per verificarne la sicurezza e l’efficacia prima di passare alla sperimentazione clinica sull’uomo. Fino a poco tempo fa, questi test dovevano essere eseguiti su almeno due specie animali, di solito ratti e cani, prima che i farmaci venissero sperimentati sull’uomo.
Ma nel dicembre 2022, il Presidente Biden ha firmato l’FDA Modernization Act, che ha modificato l’originale FDA Act del 1938. Con alcune piccole modifiche, la legge ha aperto la porta a test non basati sugli animali nelle sperimentazioni precliniche. Tutto ciò che rende più veloce e più facile per le aziende farmaceutiche identificare farmaci sicuri ed efficaci significa trattamenti migliori e potenzialmente più economici per tutti noi.
Moore, per esempio, punta su questo, sperando che i chip aiutino lui e i suoi colleghi a fare luce sulle risposte al vaccino contro il rotavirus che li confondono. “Se si riuscisse a capire la risposta”, dice, “si potrebbero salvare molte vite di bambini”.
Sebbene negli ultimi 30 anni molti gruppi di lavoro abbiano lavorato su chip di organi, l’OG del settore è generalmente riconosciuto come Michael Shuler, professore emerito di ingegneria chimica alla Cornell. Negli anni ’80, Shuler era un matematico e ingegnere che immaginava un “animale su chip“, una base di coltura cellulare seminata con una varietà di cellule umane da utilizzare per testare i farmaci. Voleva posizionare una manciata di cellule di organi diversi sullo stesso chip, collegate tra loro, in modo da imitare la comunicazione chimica tra gli organi e il modo in cui i farmaci si muovono nel corpo. “Si trattava di fantascienza”, dice Gordana Vunjak-Novakovic, professore di ingegneria biomedica alla Columbia University, il cui laboratorio si occupa di tessuto cardiaco su chip. “Non c’era nessun corpo su chip. Non c’è ancora un corpo su chip. Dio solo sa se ci sarà mai un corpo su chip”.
Shuler sperava di sviluppare un modello computerizzato di un sistema multiorgano, ma c’erano troppe incognite. Il sistema di coltura cellulare vivente che ha sognato è stato il suo tentativo di riempire gli spazi vuoti. Per un po’ ha giocato con il concetto, ma i materiali non erano abbastanza buoni per costruire ciò che aveva immaginato.
“Si possono costringere i topi ad avere le mestruazioni, ma non sono mestruazioni vere e proprie. Ci vuole l’essere umano”.
Linda Griffith, professore fondatore di ingegneria biologica al MIT e beneficiaria nel 2006 di una borsa di studio MacArthur.
Non è stato l’unico a lavorare sul problema. Linda Griffith, professore fondatore di ingegneria biologica al MIT e beneficiaria nel 2006 di una “borsa di studio” MacArthur, alla fine degli anni Novanta ha progettato una prima versione grezza di un chip epatico: un chip di silicio piatto, alto poche centinaia di micrometri, con cellule endoteliali, ossigeno e liquidi che entrano ed escono tramite pompe, tubi di silicone e una membrana polimerica con fori microscopici. Ha inserito nel chip cellule epatiche di ratto che si sono organizzate in un tessuto tridimensionale. Non era un fegato, ma modellava alcune delle cose che un fegato umano funzionante potrebbe fare. Era un inizio.
Griffith, che guida una moto per divertimento e parla con un morbido accento del Sud, soffre di endometriosi, una condizione infiammatoria in cui le cellule del rivestimento dell’utero crescono in tutto l’addome. Ha sopportato decenni di nausea, dolore, perdite di sangue e ripetuti interventi chirurgici. Non ha mai preso permessi per motivi medici, ma si è imbottita di Percocet, Advil e margaritas, tenendo un cuscino riscaldante e un divano nel suo ufficio: una strategia necessaria, perché non vedeva altra scelta per uno scienziato che lavora. Soprattutto per una donna.
Come scienziata, Griffith ha capito che le malattie croniche che colpiscono le donne tendono a essere poco studiate, poco finanziate e poco curate. Si è resa conto che decenni di lavoro con gli animali non hanno fatto nulla per migliorare la vita delle donne come lei. “Abbiamo tutti questi dati, ma la maggior parte di essi non porta a trattamenti per le malattie umane”, dice. “Si possono costringere i topi ad avere le mestruazioni, ma non sono mestruazioni vere e proprie. Serve l’essere umano”.
O, almeno, le cellule umane. Shuler e Griffith, e altri scienziati in Europa, hanno lavorato su alcuni di questi primi chip, ma le cose hanno preso il via intorno al 2009, quando il laboratorio di Don Ingber a Cambridge, Massachusetts, ha creato il primo organo completamente funzionante su un chip. Il “polmone su chip” era fatto di gomma siliconica flessibile, rivestito di cellule polmonari umane e di vasi sanguigni capillari che “respiravano” come gli alveoli, le piccole sacche d’aria di un polmone umano. Qualche anno dopo Ingber, un dottore in medicina con l’aspetto ordinato di un giovane Michael Douglas, fondò Emulate, una delle prime aziende biotecnologiche che producevano sistemi microfisiologici. Da allora è diventato una sorta di ambasciatore non ufficiale delle tecnologie in vitro in generale e degli organi su chip in particolare, tenendo centinaia di conferenze, ottenendo milioni di finanziamenti e facendo conoscere il settore a scienziati e non. Una volta Stephen Colbert lo ha rimproverato dopo che il New York Times lo ha citato per aver descritto un chip che “cammina, parla e starnazza come una vagina umana”, una citazione che Ingber dice essere stata estrapolata dal contesto.
Ingber ha iniziato la sua carriera lavorando sul cancro. Ma ha dovuto affrontare la ricerca sugli animali. “Non volevo più lavorare con loro, perché amo gli animali”, dice. “È stata una decisione consapevole quella di concentrarmi su modelli in vitro”. Non è il solo: un numero crescente di giovani scienziati parla dell’angoscia che provano quando i protocolli di ricerca causano dolore, trauma, lesioni e morte agli animali da laboratorio. “Sono uno studente di master in neuroscienze e penso costantemente a questo problema. Ho fatto cose indicibili e orribili ai topi in nome del progresso scientifico e mi sento in colpa ogni giorno”, ha scritto uno studente anonimo su Reddit. (Informazione completa: all’università ho abbandonato la specializzazione in psicologia perché non volevo fare del male agli animali).
La partecipazione a un corso di arte ha portato Ingber a un’epifania: le forze meccaniche sono importanti quanto le sostanze chimiche e i geni nel determinare il funzionamento degli esseri viventi. Su uno scaffale del suo ufficio, Ingber espone ancora un modello costruito in quel corso d’arte, una semplice costruzione di bastoncini e filo da pesca, che lo ha aiutato a capire che le cellule si tirano e si attorcigliano l’una contro l’altra. Questa consapevolezza ha anticipato il suo lavoro attuale e lo ha aiutato a progettare dispositivi microfluidici dinamici che incorporano il taglio e il flusso.
Ingber è stato coautore di un documento del 2022 che viene talvolta citato come una svolta nel mondo degli organi su chip. I ricercatori hanno utilizzato i chip epatici di Emulate per rivalutare 27 farmaci che in precedenza avevano superato la sperimentazione animale e che poi avevano ucciso 242 persone e reso necessari più di 60 trapianti di fegato. I chip epatici hanno segnalato correttamente i problemi di 22 dei 27 farmaci, con una percentuale di successo dell’87% rispetto allo 0% dei test sugli animali. È stata la prima volta che organi su chip sono stati confrontati direttamente con modelli animali e i risultati hanno suscitato grande attenzione da parte dell’industria farmaceutica. Dan Tagle, direttore dell’Office of Special Initiatives del National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS), stima che i fallimenti dei farmaci costino ogni anno circa 2,6 miliardi di dollari a livello globale. Quanto più precocemente si riesce a eliminare i composti che falliscono, tanto più spazio c’è per il successo di altri farmaci.
“La capacità di testare i farmaci è più o meno fissa in questo Paese”, afferma Shuler, la cui azienda, Hesperos, produce anche organi su chip. “Si possono fare solo un numero limitato di test clinici. Quindi se si inserisce nel sistema un perdente, significa che qualcosa che avrebbe potuto vincere non è stato inserito nel sistema. Vogliamo cambiare il tasso di successo degli studi clinici in un numero molto più alto”.
Nel 2011, il National Institutes of Health ha istituito l’NCATS e ha iniziato a investire in organi su chip e altre tecnologie in vitro. Altri finanziatori governativi, come la Defense Advanced Research Projects Agency e la Food and Drug Administration, hanno seguito l’esempio. Per esempio, il NIH ha recentemente finanziato gli scienziati della NASA per inviare nello spazio tessuto cardiaco su chip. Sei mesi in condizioni di bassa gravità fanno invecchiare il sistema cardiovascolare di 10 anni, quindi questo esperimento consente ai ricercatori di studiare alcuni degli effetti dell’invecchiamento senza danneggiare gli animali o gli esseri umani.
Gli scienziati hanno realizzato chip di fegato, chip di cervello, chip di cuore, chip di reni, chip di intestino e persino un sistema riproduttivo femminile su chip (con cellule di ovaie, tube di Falloppio e utero che rilasciano ormoni e simulano un vero ciclo mestruale ogni 28 giorni). Ognuno di questi chip presenta alcune delle funzioni specifiche degli organi in questione. I chip cardiaci, ad esempio, contengono cellule cardiache che battono proprio come il muscolo cardiaco, consentendo ai ricercatori di modellare disturbi come la cardiomiopatia.
Shuler ritiene che gli organi su chip rivoluzioneranno il mondo della ricerca sulle malattie rare. “È un modello molto valido quando non si hanno abbastanza pazienti per i normali studi clinici e non si dispone di un buon modello animale”, afferma. “È un modo per far arrivare alle persone farmaci che non potrebbero essere sviluppati nel nostro attuale modello farmaceutico”. La stessa azienda biotecnologica di Shuler ha utilizzato organi su chip per testare un potenziale farmaco per la miastenia gravis, una rara malattia neurologica. Nel 2022, la FDA ha approvato il farmaco per gli studi clinici sulla base di questi dati, uno dei sei farmaci Hesperos che finora hanno raggiunto questa fase.
Ogni chip parte da un modello farmacocinetico fisiologico, noto come modello PBPK, espressione matematica del comportamento di un composto chimico nel corpo umano. “Cerchiamo di costruire una replica fisica del modello matematico di ciò che accade realmente nel corpo”, spiega Shuler. Questo modello guida il modo in cui il chip viene progettato, ricreando la quantità di tempo in cui un fluido o una sostanza chimica rimane in quel particolare organo, il cosiddetto tempo di permanenza. “Finché il tempo di permanenza è lo stesso, si dovrebbe ottenere la stessa risposta in termini di conversione chimica”, spiega Shuler.
I minuscoli canali su ogni chip, ciascuno di diametro compreso tra 10 e 100 micron, aiutano a portare fluidi e ossigeno alle cellule. “Quando si scende a meno di un micron, non è possibile utilizzare la normale dinamica dei fluidi”, spiega Shuler. E la dinamica dei fluidi è importante, perché se il fluido si muove attraverso il dispositivo troppo velocemente, le cellule potrebbero morire; troppo lentamente, e le cellule non reagirebbero normalmente.
La tecnologia dei chip, pur essendo sofisticata, presenta alcuni aspetti negativi. Uno di questi è la facilità d’uso. “Dobbiamo sbarazzarci di tutti questi tubi e pompe e creare qualcosa di semplice come una piastra per la coltura delle cellule”, dice Vunjak-Novakovic. Il suo laboratorio e altri stanno lavorando per semplificare il design e il funzionamento di questi chip, in modo che siano più facili da usare e compatibili con i robot, che svolgono compiti ripetitivi come il pipettaggio in molti laboratori.
Anche i costi e l’approvvigionamento possono rappresentare una sfida. Il modello base di Emulate, che dall’esterno appare come una semplice scatola rettangolare, parte da circa 100.000 dollari e da lì sale vertiginosamente. La maggior parte delle cellule umane proviene da fornitori commerciali che organizzano donazioni da parte di pazienti ospedalieri. Durante la pandemia, quando le persone hanno subito meno interventi chirurgici elettivi, molte di queste fonti si sono esaurite. Con la diffusione dei sistemi microfisiologici, sarà fondamentale trovare fonti affidabili di cellule umane.
“Man mano che la fiducia nell’uso dei chip aumenta, si potrebbe dire: “Ok, non abbiamo più bisogno di due animali, possiamo usare il chip più un animale”.
Lorna Ewart, responsabile scientifico di Emulate
Un’altra sfida è rappresentata dal fatto che ogni azienda che produce organi su chip utilizza metodi e tecnologie proprietarie. Ingber paragona il panorama agli albori del personal computing, quando ogni azienda sviluppava il proprio hardware e software e nessuno di essi si integrava bene. Per esempio, i sistemi microfluidici dei chip intestinali di Emulate sono alimentati da micropompe, mentre quelli prodotti da Mimetas, un’altra azienda biotecnologica, utilizzano un bilanciere elettronico e la gravità per far circolare fluidi e aria. “Non si tratta di una sfida da laboratorio accademico”, sottolinea Ingber. “È una sfida commerciale. Non c’è modo di ottenere gli stessi risultati in tutto il mondo con singoli accademici che producono [organi su chip], quindi è necessaria la commercializzazione”.
Namandje Bumpus, scienziato capo della FDA, è d’accordo. “Si possono riscontrare differenze [nei risultati] anche a seconda dei tipi di reagenti utilizzati”, afferma. Queste differenze fanno sì che la ricerca non sia facilmente riproducibile, il che ne diminuisce la validità e l’utilità. “Sarebbe bello avere una certa standardizzazione”, aggiunge.
Il lato positivo è che la tecnologia dei chip potrebbe aiutare i ricercatori ad affrontare alcune delle disuguaglianze sanitarie più radicate nella scienza. Le sperimentazioni cliniche hanno storicamente reclutato uomini bianchi, sottorappresentando le persone di colore, le donne (soprattutto quelle in gravidanza e in allattamento), gli anziani e altri gruppi. E i trattamenti derivati da queste sperimentazioni troppo spesso falliscono nei membri di questi gruppi sottorappresentati, come nel caso del mistero del vaccino contro il rotavirus di Moore. “Con gli organi su chip, si può essere in grado di creare sistemi molto attenti, in cui si allarga la rete più di quanto sia mai stato fatto prima”, dice Moore.
Un altro vantaggio è che i chip finiranno per ridurre la necessità di utilizzare animali in laboratorio, anche se porteranno a risultati migliori per l’uomo. “Ci sono aspetti della ricerca sugli animali che mettono a disagio tutti noi, anche chi la fa”, riconosce Moore. “Gli stessi valori che ci mettono a disagio nella ricerca sugli animali sono anche gli stessi che ci mettono a disagio nel vedere esseri umani soffrire per malattie per le quali non abbiamo ancora una cura. Per questo motivo, cerchiamo sempre di bilanciare il desiderio di ridurre la sofferenza in tutte le forme in cui la vediamo”.
Lorna Ewart, che ha trascorso 20 anni presso il gigante farmaceutico AstraZeneca prima di entrare in Emulate, ritiene che stiamo entrando in una sorta di periodo di transizione nella ricerca, in cui gli scienziati utilizzano tecnologie in vitro come gli organi su chip accanto ai tradizionali metodi di coltura cellulare e agli animali. Man mano che cresce la fiducia nell’uso dei chip, si potrebbe dire: “Ok, non abbiamo più bisogno di due animali, possiamo optare per un chip più un animale””, afferma.
Nel frattempo, Sean Moore è entusiasta di incorporare sempre più profondamente i chip intestinali nella sua ricerca. Il suo laboratorio è stato finanziato dalla Fondazione Gates per realizzare quello che lui descrive ridendo come un bake-off tra i chip intestinali prodotti da Emulate e Mimetas. Stanno infettando i chip con diversi ceppi di rotavirus per cercare di identificare i pro e i contro del design di ciascuna azienda. È troppo presto per avere risultati concreti, ma Moore dice di avere dati che dimostrano che i chip di organi sono un modello valido per studiare l’infezione da rotavirus. Questo potrebbe essere un vero cambiamento nel suo laboratorio e in quelli di tutto il mondo.
“In questo momento ci sono più operatori nel settore”, afferma Moore. “E questa concorrenza sarà una cosa sana”.
Harriet Brown scrive di salute, medicina e scienza. Il suo libro più recente è Shadow Daughter: A Memoir of Estrangement. È docente di riviste, notizie e giornalismo digitale presso la Newhouse School della Syracuse University.
Foto di copertina: gli organi su chip sono dispositivi microfluidici in grado di creare condizioni simili a quelle del corpo umano. WYSS INSTITUTE AT HARVARD UNIVERSITY
