Intervista Comprendere il linguaggio elettrico degli organoidi

Numerose patologie, non solo quelle intestinali, hanno origine proprio nell’intestino. Comprendere meglio questo organo è quindi fondamentale. Grazie alle moderne tecniche di coltura cellulare, i ricercatori stanno ora cercando di riprodurre l’intestino in tutta la sua complessità in una capsula di coltura (in vivo). Ciò include anche il suo «approvvigionamento energetico» e la misurazione dei segnali delle cosiddette cellule eccitabili.

Quando si sente il termine “OriDarmi”, si pensa immediatamente all’origami. Che cosa ha a che fare il suo progetto di ricerca presso l’Università di Kaiserslautern con l’arte giapponese della piegatura della carta?

Prof.ssa Dr. Monika Saumer: Con l’origami si ottiene un modello 3D delicato e complesso partendo da una superficie piana, che viene poi dispiegata. È possibile realizzare un numero infinito di geometrie. Nel nostro progetto OriDarmi procediamo in modo simile: realizziamo sistemi di elettrodi in forma planare (su un wafer) e li pieghiamo fino a ottenere una struttura 3D complessa, in cui ogni minima geometria strutturale è fondamentale. La nostra struttura 3D contiene oltre 60 elettrodi in oro, incorporati in un’armatura in poliammide. I sistemi di elettrodi sono stati adattati a complesse colture di organoidi, ovvero riproduzioni della mucosa intestinale innervata «in provetta», e consentono la registrazione di segnali elettrici, ottenendo così una sorta di ECG intestinale. È importante sapere che l’intestino ospita una moltitudine di cellule nervose, indispensabili per il suo funzionamento. I nostri sistemi di elettrodi consentono di valutare l’attività e lo stato di salute delle cellule intestinali, nonché la loro interazione all’interno del tessuto cellulare.  In questo modo è possibile, ad esempio, rilevare gli effetti dei farmaci o persino simulare determinati quadri clinici.

Per le diverse applicazioni abbiamo realizzato finora due architetture 3D: una spirale che integriamo nelle colture cellulari e un cestello a quattro bracci che racchiude gli organoidi. I nostri sistemi 3D, comprese le cellule intestinali, hanno tuttavia una dimensione massima di soli tre millimetri.

Sono note numerose patologie intestinali e altre malattie che potrebbero essere correlate all’intestino. Potrebbe citare alcuni esempi?

Oltre alle malattie infiammatorie intestinali come il morbo di Crohn o la colite ulcerosa, oggi si ritiene che la barriera intestinale, influenzata dal microbioma e dall’alimentazione, possa essere responsabile anche dell’insorgenza di malattie metaboliche come il diabete mellito o di malattie neurodegenerative come il morbo di Parkinson. Inoltre, il sistema può essere utilizzato anche per lo studio delle influenze ambientali, del microbioma o delle tossine, che spesso sono fattori scatenanti di malattie o danni agli organi.

Perché l’analisi funzionale della parete intestinale su soggetti vivi presenta delle difficoltà e quali strumenti avete sviluppato per poter studiare meglio i processi fisiologici?

Per studiare l’insorgenza della malattia e il suo trattamento, sono necessarie misurazioni continue per un periodo prolungato direttamente sul tessuto intestinale vivo. L’ideale sarebbe naturalmente effettuare analisi della parete intestinale direttamente all’interno del corpo umano, cosa che sarebbe tecnicamente possibile con un grande dispendio di risorse, ma che non è eticamente realizzabile. Ricorriamo quindi a misurazioni effettuate su tessuto intestinale in coltura. Le sensibili cellule epiteliali intestinali, tuttavia, non sono così facili da coltivare e, nelle classiche condizioni di coltura (nella capsula di Petri), perdono rapidamente la loro funzionalità.

Pertanto, utilizzando moderne tecniche di coltura cellulare, ricreiamo in vitro sia la barriera intestinale che la parete intestinale con tutti i suoi componenti, quali cellule epiteliali, immunitarie e nervose. Utilizziamo, ad esempio, materiale bioptico umano per coltivare colture cellulari intestinali tridimensionali e organoidi.

Per poter rilevare i segnali cellulari dall’interno delle colture cellulari e dall’intera superficie degli organoidi, è necessario posizionare gli elettrodi proprio in quei punti. Progettiamo quindi architetture 3D in materiali plastici biocompatibili, che fungono da supporto per gli elettrodi e i relativi cavi di collegamento, e vi incorporiamo gli elettrodi conduttivi e i cavi stessi.

Quali sono le sfide più grandi che devono affrontare per avere successo?

Ci troviamo innanzitutto di fronte a due grandi sfide: una biologica e una tecnica.
- Quella biologica: riusciremo a coltivare tessuto intestinale funzionale in una provetta?
- Quella tecnica: come realizzeremo le architetture 3D con microstrutture e nanostrutture funzionali precise (progettazione, metodi di produzione, materiali, superfici)?

Una terza sfida è rappresentata dall’interdisciplinarità. La biologia e la medicina interagiscono con l’ingegneria elettrica e dei microsistemi. Dobbiamo sviluppare la comprensione del rispettivo «mondo» altrui e collaborare in modo molto stretto. Solo così potremo garantire che il tessuto rimanga funzionante a lungo e che siamo effettivamente in grado di misurare i segnali in modo affidabile e con una qualità sufficiente.

Ecco alcuni dettagli da tenere in considerazione: i sistemi di elettrodi da sviluppare devono avvolgere l’organoide in modo flessibile, senza distruggere le cellule. Per monitorare simultaneamente e in modo continuo la qualità della barriera, è necessario un approccio basato sulla TEER (resistenza elettrica trans-epiteliale). A tal fine, è necessario introdurre elettrodi adeguati all’interno del tessuto in modo graduale e con il minimo impatto distruttivo. Ulteriori elettrodi capillari devono consentire l’applicazione di terreno di coltura e altre sostanze all’interno degli organoidi.

Per ottenere una buona rilevazione del segnale è necessario sviluppare microelettrodi che, grazie alla loro forma e alle proprietà superficiali, consentano un buon contatto con la membrana cellulare o possano addirittura penetrare all’interno delle cellule.

In che modo verranno concretamente utilizzati i risultati del progetto OriDarmi?

I nostri sviluppi consentiranno di ricavare in modo affidabile dati funzionali da organoidi e tessuti complessi. Metteremo a disposizione dei medici e dei biologi impegnati nella ricerca due strumenti diagnostici che potranno essere utilizzati per lo studio dell’insorgenza delle malattie e delle terapie.

Il principio fondamentale del nostro approccio consiste nella misurazione dei segnali delle cosiddette cellule eccitabili. Oltre alle cellule nervose, queste includono anche le cellule muscolari. I nostri sistemi, sviluppati per la registrazione delle cellule nervose intestinali, potranno quindi essere utilizzati in futuro anche per altre cellule eccitabili. Tra queste rientrano, oltre ad altre cellule nervose del sistema nervoso centrale e periferico, anche le cellule del muscolo cardiaco o le cellule muscolari lisce di organi cavi come l’intestino e la vescica.

Riteniamo che i risultati ottenuti, ad esempio, dagli studi a lungo termine sui principi attivi influenzeranno lo sviluppo di nuove opzioni terapeutiche per alleviare o curare le malattie.

Grazie mille per l'intervista, professoressa Saumer.