Piccoli modelli di polmone prendono vita
Le colture di cellule vive sono una componente essenziale nei test di farmaci e dei dispositivi di diagnosi. Tuttavia, uno strato di cellule in una piastra di Petri spesso non riesce a replicare le condizioni degli organismi viventi. Il progetto MECH-LoC ha cercato di superare questo limite sviluppando un modello più accurato, noto come polmone su chip. «Vogliamo creare un sistema che abbia maggiore rilevanza fisiologica di una piastra di Petri», afferma la coordinatrice del progetto, Lisa Muiznieks. «Una piastra di Petri è statica, al suo interno non c’è movimento. Nei tessuti e nelle cellule ci sono forze dinamiche ad ogni livello, si respira, si cammina e si salta e, su scala ridotta, i polmoni si espandono e si contraggono, gli alveoli si allungano e si comprimono con ciascun respiro.»
Imitando la matrice extracellulare
Anche il flusso di aria che passa attraverso i polmoni, la pressione e lo sforzo di taglio del sangue e dei fluidi extracellulari forniscono forze meccaniche alle cellule, spiega Muiznieks. Replicare questi flussi su un chip microfluidico consentirà inoltre ai ricercatori di somministrare nutrienti cellulari e di rimuovere i rifiuti cellulari in modo più efficiente. «Questo polmone su chip non intende sostituire l’intero organo, ma piuttosto cerca di imitare una piccola sottoclasse di funzioni specifiche, in questo caso l’interfaccia aria-liquido della superficie alveolare», osserva Muiznieks. Per creare una superficie realistica, le cellule sono state attaccate a una sottile matrice proteica. «Tutte le cellule si appoggiano su una matrice extracellulare, una rete di proteine fibrose come collagene, fibronectina ed elastina», aggiunge Muiznieks. «Possiamo simulare questo ambiente per le cellule creando una membrana con le stesse proteine.» Creare queste membrane è stato l’interesse principale della carriera di ricerca di Muiznieks. Finanziata dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, Muiznieks si è trasferita in Francia per collaborare alla creazione di modelli di polmone su chip con Elvesys, l’azienda di sistemi microfluidici che ha ospitato il progetto. Nell’ottobre 2020, al termine della borsa di ricerca, Muiznieks è stata assunta a tempo pieno da Elvesys. «Abbiamo dei prototipi, ma non hanno raggiunto un livello di maturità tecnologica molto avanzato, è necessario continuare la ricerca per arrivare a quel punto», spiega Muiznieks. «Abbiamo disegnato il rivestimento, realizzato la membrana, l’abbiamo integrata nel chip microfluidico, l’abbiamo testata per la convalida aggiungendo le cellule e facendole attaccare, e siamo stati in grado di perfondere il canale.»
Meno sperimentazione animale
Il prossimo passo, dice Muiznieks, sarà aggiungere ulteriori proprietà e stimoli meccanici, così da ricreare il flusso dinamico e l’estensione presenti negli organismi viventi, e testare farmaci utilizzando il sistema. Lo scopo ultimo è fornire sistemi modello fisiologicamente accurati in grado di ridurre l’esigenza di sperimentazioni animali. «L’utilizzo degli animali comporta una serie di questioni etiche ed è molto costoso. I test farmacologici possono sembrare promettenti in un modello animale, ma nel 90 % dei casi potrebbero non funzionare in uno studio clinico umano», afferma Muiznieks. «Ci occorre un modello migliore di funzione specifica dei tessuti per migliorare lo sviluppo della medicina.» Muiznieks afferma che se i modelli di organi su chip avranno successo, sarà possibile aggiungere le cellule di un paziente al substrato, aprendo la strada a test di medicina personalizzata altamente specifici. L’obiettivo di Muiznieks è promuovere la microfluidica per attirare nuovi ricercatori in questo settore e far sì che integrino la materia nelle loro ricerche. «Gli organi su chip sono relativamente nuovi, si tratta di un settore promettente, ma occorreranno solide prove di concetto prima che le grandi aziende farmaceutiche decidano di adottarli. Speriamo di arrivare a questo punto. Se lavoriamo insieme, anziché da soli, siamo più forti.»
Parole chiave
MECH-LoC, polmone, chip, diagnostica, farmaco, coltura, cellule, organo, alveoli
