“HUMAN ON A CHIP” e addio cavie!

Lo sviluppo di metodi di sperimentazione farmacologica alternativi è sempre più urgente al di là della volontà di eliminare la necessità di danneggiare gli animali. Ci sono molte malattie per le quali la sperimentazione animale produce risultati incoerenti o falsi e comunque incapaci di simulare accuratamente la risposta reale umana. Essere in grado di produrre tessuti umani bio-printed per sottoporli a test farmacologici ridurrebbe l'inaffidabilità intrinseca della sperimentazione sugli animali, con notevole risparmio sia in termini di costi sanitari legati allo sviluppo dei farmaci che in termini di riduzione di effetti collaterali e inefficienze, comunque sempre presenti. Grazie alla sperimentazione su questi tessuti forse un giorno i test sugli animali potrebbero diventare obsoleti, eliminando studi e ricerche per farmaci efficaci sugli animali ma non sugli umani e sperimentando trattamenti realmente attivi sulla fisiologia umana non in grado di superare l’iniziale fase dei test animali a causa di scarsi risultati.

In Canada un gruppo di ricercatori della University of British Columbia guidata da Konrad Walus ha fondato la start-up biotech Aspect Biosystems grazie ai fondi ricevuti dalla BCIC, un programma di finanziamento dell’Università per la creazione di imprese e per  massimizzare il successo di start-up innovative.

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L’ Aspect Biosystem è in attesa del brevetto per una stampante 3D che realizza il bio-print di tessuto umano capace di sviluppare funzioni biologiche complete, a partire da cellule prelevate da uno specifico paziente. Lo scenario che ci si apre davanti è una farmacologia studiata appositamente per sviluppare una cura personalizzata. Stampare materiale cellulare specifico con corrispondenza genetica permetterà di sottoporre i farmaci ad uno screening per la valutazione degli effetti collaterali e di confrontare più trattamenti terapeutici per realizzare quello più efficiente e con minori rischi per il paziente, in altre parole consentirà di simulare la sperimentazione umana ad personam.
Alan Faulkner-Jones della Heriot Watt University di Edimburgo sta lavorando ad un progetto simile

Si potrebbero anche testare farmaci personalizzati, utilizzando le cellule della persona malata per creare specifici micro-tessuti che replichino la loro risposta, piuttosto che la risposta di un tessuto umano generico

dice al Printshow Hospital 3D di Londra dove ha presentato la sua nuova stampante, costruita modificando una MakerBot.

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L’innovazione della “Alan Faulkner-Jones printer” consiste nella risposta delle cellule staminali all’invasivo processo di stampa, monitorato in tempo reale. Per validare i risultati, sono stati presi in considerazione diversi markers specifici delle staminali e controllati prima e dopo la stampa per valutarne alterazioni o danni. I risultati sono stati più che incoraggianti: oltre il 90% delle cellule staminali stampate risultano ancora vitali, dimostrando come si riesca a stampare senza alterare eccessivamente le cellule di partenza. Il successo è avvalorato da una quantità di test effettuati sulla risposta fisiologica delle cellule superiore a quanto normalmente venga ritenuto sufficiente.

La stampante viene fuori da un mix di parti di stampanti Makerbot, come alcune parti in plastica e le guide, ma il sistema di controllo e la testa di stampa sono completamente frutto di studi originali. Il sistema di deposizione è formato per prima cosa da diverse cartucce pressurizzate contenenti il bioink, ossia il mix di cellule staminali e idrogel di supporto.

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Queste sono collegate a ugelli Minstac, con rivestimento in Teflon e diametro di 101.6 um, controllati da elettrovalvole comandate a loro volta da un microcontrollore Arduino UNO. Tale sistema, variando pressione e tempo di apertura delle valvole, permette di controllare i volumi di bioink erogati, dell’ordine dei nanolitri. Più che stampa per estrusione è di fatti un processo pneumatico! Il tutto è poi accompagnato da un microscopio USB, con cui monitorare in tempo reale il flusso di cellule durante la stampa. Alan Faulkner-Jones pensa che il suo metodo sia fortemente alternativo alla sperimentazione animale dei farmaci. I regolamenti che oggi la prevedono portano allo studio di medicine che danno risultati sulle cavie ma che poi, usati sugli esseri umani risultano inefficaci o addirittura nocivi. E’ uno dei motivi per cui molte di esse non arrivano sul mercato e i fondi utilizzati per gli studi praticamente non danno frutti.

È da qui che grazie al campo delle Bio-MEMS (sistemi microelettromeccanici biomedici/biologici) è nata un’altra idea, ossia quella di produrre micro-tessuti di specifici organi del corpo al fine di valutare la risposta fisiologica al farmaco: è come avere la reazione dell’intero organo, ma in scala ridotta: se il tessuto campione s’infiamma o peggio va in necrosi un risultato simile lo avremo probabilmente nell'organo completo da trattare.

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Immaginate poi di poter collegare i tessuti dei vari organi umani insieme in un sistema miniaturizzato che viene chiamato “human on a chip", ed ecco che potremo studiare la reazione di tutto il corpo al nuovo farmaco.

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Frutto della collaborazione tra microfabbricazione, microelettronica e microfluidica, il chip è composto da diverse aree, alimentate da sangue sintetico e sostanze nutritive. Su ogni area c’è del materiale diverso corrispondente ai tessuti di vari organi: fegato, cuore, polmoni, reni, tessuto cerebrale. Si inietta il farmaco in ciascuna area ed ecco simulata la reazione di tutto il corpo: niente più sperimentazione animale, niente più cavie! A dividerci da questi fantastici risultati, la complessità della struttura di alcuni tessuti ancora difficile da replicare su scale ridotte, ma la velocità a cui si muove la rivoluzione 3D ci permette di dire che non dovremo attendere molto!

Lusiana Pasquini - Open BioMedical Initiative

Image credits

Aspectbiosystems

3dprintshow

Wyss Institute

Elveflow

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3 Commenti

  1. Ernesto Sorrentino 18 marzo 2015
    • Emanuele Bonanni Emanuele 19 marzo 2015

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