Organoidi nella ricerca biomedica: opportunità e sfide
Gli organoidi sono modelli tridimensionali in miniatura di organi e tessuti, coltivati in vitro a partire da cellule staminali o altre cellule progenitrici capaci di differenziarsi in tipi cellulari presenti in un determinato organo o tessuto. Riproducono fedelmente la struttura e la funzione degli organi umani, rendendoli strumenti preziosi per studiare lo sviluppo umano, modellizzare le malattie, scoprire farmaci e sviluppare approcci di medicina personalizzata.
Di Adrienne L. Watson, PhD
Direttore scientifico, World Precision Instruments
Applicazioni degli organoidi
Gli organoidi trovano ampio impiego nella ricerca biomedica e nello sviluppo di farmaci:
- Modellizzazione delle malattie: Gli organoidi sono stati utilizzati con successo, in combinazione con l’editing genetico e derivandoli da pazienti, per modellare malattie come il cancro, la fibrosi cistica e i disturbi neurodegenerativi, fornendo preziose informazioni sulla progressione della malattia e sulla risposta ai trattamenti. Questi organoidi modello di malattia hanno permesso ai ricercatori di studiare i meccanismi alla base delle patologie in un modello fisiologicamente più rilevante. Modelli preclinici di malattia migliori possono portare a una comprensione più approfondita della progressione della malattia e allo sviluppo di strategie terapeutiche personalizzate, conferendo agli organoidi un vantaggio rispetto ai modelli biologici meno complessi.
- Screening dei farmaci: Gli organoidi offrono una piattaforma per lo screening e la sperimentazione di farmaci che riproduce la fisiologia umana più fedelmente rispetto alle tradizionali colture cellulari bidimensionali. Gli organoidi sono particolari perché spesso hanno una maggiore rilevanza fisiologica rispetto ad altri modelli di coltura cellulare, ma sono meno complessi e più facili da studiare dei modelli animali. La possibilità di analizzare in laboratorio un gran numero di organoidi può essere sfruttata per individuare efficacemente potenziali agenti terapeutici, valutarne la tossicità e l’efficacia e prevedere le risposte ai farmaci in modo più accurato ed efficiente.
- Biologia dello sviluppo: Gli organoidi possono essere utilizzati per studiare i processi di crescita degli organi, formazione dei tessuti e altri processi biologici fondamentali durante lo sviluppo. Modificando le condizioni di coltura, i ricercatori possono analizzare il modo in cui specifici tipi cellulari interagiscono e si differenziano per formare strutture complesse, ottenendo informazioni sullo sviluppo normale e sui potenziali approcci di medicina rigenerativa.
- Medicina di precisione: Gli organoidi possono favorire il progresso della medicina personalizzata, consentendo di testare le risposte ai farmaci e le opzioni terapeutiche su modelli di organoidi specifici per ciascun paziente. Isolando cellule specifiche del paziente o ricorrendo all’editing genetico per introdurre modifiche genetiche associate a diverse malattie o fenotipi, gli organoidi possono essere utilizzati per individuare le terapie più efficaci per ogni paziente, in base al suo patrimonio genetico e alle caratteristiche della malattia.
- Meccanismi delle malattie e fisiopatologia: Gli organoidi offrono una piattaforma per studiare i meccanismi molecolari e cellulari alla base della patogenesi delle malattie. Analizzando i modelli di organoidi, i ricercatori possono approfondire la progressione delle malattie, identificare le principali vie di segnalazione e individuare potenziali bersagli terapeutici.
Evoluzione degli organoidi
Gli organoidi sono diventati possibili negli anni 2000, quando sono stati sviluppati i primi metodi per far crescere strutture specifiche di organi a partire da cellule staminali. Da allora il settore si è ampliato rapidamente: i progressi e i miglioramenti tecnologici hanno permesso di generare organoidi più complessi e funzionali. Le tecnologie chiave alla base dello sviluppo di terreni di coltura specializzati, scaffold 3D e sistemi microfluidici per favorire la crescita e la maturazione degli organoidi hanno potenziato la capacità dei ricercatori di realizzare modelli biologici e patologici utilizzando gli organoidi. Inoltre, le tecnologie per analizzare gli organoidi hanno permesso di utilizzare questa piattaforma per comprendere i meccanismi delle malattie e, soprattutto, per condurre screening terapeutici e scoprire nuovi farmaci.
Vantaggi degli organoidi nella ricerca
Gli organoidi offrono diversi vantaggi rispetto ad altri modelli di ricerca e preclinici, ma presentano anche dei limiti:
Coltura cellulare standard
Gli organoidi offrono un modello più rilevante dal punto di vista fisiologico rispetto alle tradizionali colture cellulari 2D. Riproducono la complessità e l’architettura degli organi reali, consentendo una rappresentazione più accurata della struttura e della funzione dei tessuti. Inoltre, possono riprodurre più fedelmente i fenotipi delle malattie e le risposte ai farmaci. Tuttavia, rispetto alle colture cellulari standard, gli organoidi possono essere più difficili da sviluppare e mantenere, poiché richiedono protocolli e competenze specializzati. I protocolli disponibili per gli organoidi sono molto meno consolidati rispetto a quelli per le colture cellulari standard, con conseguenti problemi di standardizzazione e la necessità di risorse significative per sviluppare questi modelli.
Coltura cellulare 3D
Sia gli organoidi sia le colture cellulari 3D prevedono la crescita delle cellule in tre dimensioni, ma gli organoidi sono strutture più complesse, che riproducono fedelmente l'organizzazione e la funzione degli organi reali. Contengono diversi tipi cellulari e presentano funzioni specifiche dei tessuti, perciò sono più adatti a modellare lo sviluppo degli organi, le malattie e la risposta ai farmaci. Al contrario, le colture cellulari 3D si concentrano in genere sulla crescita di un solo tipo cellulare o di una semplice struttura multicellulare. Gli organoidi possono essere più difficili da ottenere, poiché lo sviluppo di strutture complesse richiede spesso condizioni di crescita e sviluppo complesse e un'organizzazione specifica, difficile da riprodurre in coltura. Per questo, gli organoidi sono costosi e difficili da ottenere e utilizzare negli esperimenti.
Sistemi organ-on-chip
Gli organoidi e le tecnologie organ-on-chip possono essere approcci complementari per modellare la fisiologia umana e le malattie. Mentre gli organoidi spesso combinano fisicamente diversi tipi cellulari, i sistemi organ-on-chip utilizzano la microfluidica e barriere per simulare l'interazione dinamica tra le cellule. I sistemi organ-on-chip consentono di controllare con precisione il microambiente e le interazioni tra molti tipi diversi di cellule e fluidi. Mentre gli organoidi riproducono generalmente un singolo tessuto o organo, i dispositivi organ-on-chip possono modellare diversi tessuti e organi e le loro interazioni.
Modelli animali
Gli organoidi offrono un'alternativa etica e meno costosa ai modelli animali per studiare la biologia umana e le malattie. Possono essere ottenuti da cellule umane, consentendo ai ricercatori di indagare i meccanismi delle malattie e la risposta ai farmaci in un contesto specifico per ciascun paziente. Tuttavia, gli organoidi potrebbero non riprodurre appieno le interazioni sistemiche e la complessità di un intero organismo, limitandone l'utilità per alcune domande di ricerca. I modelli animali restano preziosi per studiare processi fisiologici complessi, le risposte dell'intero organismo e testare i farmaci in vivo. Inoltre, gli animali forniscono una piattaforma per comprendere la somministrazione e il dosaggio dei farmaci e consentono di eseguire diagnostica per immagini, interventi chirurgici e altre procedure cliniche che non possono essere riprodotte con sistemi in vitro.
Mercato emergente degli organoidi
Il mercato degli organoidi dovrebbe crescere significativamente nei prossimi anni, man mano che questa tecnologia diventa più diffusa e accessibile. Diverse aziende e istituti di ricerca sono attivamente impegnati nello sviluppo e nella commercializzazione di prodotti e servizi basati sugli organoidi. Si prevede che il mercato globale degli organoidi raggiungerà 1,6 miliardi di dollari entro il 2025, trainato dalla crescente domanda di medicina personalizzata e dalla necessità di modelli preclinici più predittivi.
World Precision Instruments (WPI) offre prodotti e tecnologie a supporto della ricerca sugli organoidi, proprio come sostiene lo sviluppo e la valutazione di altri modelli preclinici, dalle colture cellulari standard ai modelli organ-on-chip e animali. Gli organoidi costituiscono una piattaforma preclinica che WPI supporta attualmente fornendo materiali e consumabili da laboratorio per gli esperimenti di coltura cellulare, strumenti per la microscopia standard e l’imaging di cellule vive per visualizzare gli organoidi e tecnologie microfluidiche che ne favoriscono la crescita, il mantenimento e l’analisi. Spesso negli organoidi mancano determinati tipi di cellule e non è possibile rappresentare le interazioni tra più tessuti e organi. Un altro limite degli organoidi è l’impossibilità di modellare il sistema vascolare e quello linfatico. Combinando gli organoidi con dispositivi microfluidici come i sistemi organ-on-chip e altri sistemi microfisiologici, i ricercatori possono creare modelli più rilevanti dal punto di vista fisiologico, che integrano aspetti di entrambe le tecnologie e migliorano la precisione dei test farmacologici e della modellizzazione delle malattie con gli organoidi. WPI si impegna a sostenere tecnologie che promuovono gli organoidi e si integrano con essi, tra cui i sistemi organ-on-a-chip, la microfluidica e l’editing genomico.
Una delle tecnologie fondamentali di WPI, la misurazione della resistenza elettrica transepiteliale (TEER), è stata integrata nella ricerca sugli organoidi e ha permesso ai ricercatori di superare alcuni degli attuali limiti di questo campo. La TEER è stata misurata sulle cellule destinate alla produzione degli organoidi, prima della loro generazione, per la convalida funzionale e il controllo qualità. Ciò ha permesso di ridurre l’eterogeneità spesso riscontrata negli organoidi e di migliorare la riproducibilità. Qualificando le cellule prima di generare gli organoidi, i ricercatori possono standardizzare il materiale di partenza e i protocolli, ridurre la variabilità e ottenere dati più significativi. La valutazione funzionale degli organoidi può essere complessa e la microscopia è lo strumento più usato. La TEER, tuttavia, offre un metodo non invasivo per misurare l’integrità della barriera e fornire una lettura funzionale degli organoidi. Negli ultimi due anni sono state pubblicate diverse ricerche che dimostrano l’utilità delle misurazioni TEER nello studio degli organoidi:
Varani et al., Le interazioni cellula-matrice contribuiscono alla funzione di barriera negli organoidi del colon umano. , 2019.
La tecnologia EVOM di WPI ha permesso di effettuare misurazioni TEER per valutare l’interazione tra le cellule e la membrana basale negli organoidi del colon umano, dimostrando che le interazioni cellula-matrice contribuiscono in modo significativo all’integrità della barriera nel colon.
Hori et al. Modelli di organoidi della barriera placentare umana basati su cellule staminali trofoblastiche, 2024.
Le misurazioni TEER effettuate con la strumentazione EVOM di WPI hanno permesso di dimostrare l’integrità della barriera e il livello di maturazione del modello di organoide placentare umano derivato da cellule staminali trofoblastiche, fornendo un modello ideale per comprendere come favorire lo sviluppo di farmaci che consentano o impediscano il passaggio di composti attraverso la barriera placentare.
Varani et al., Un intervento multiminerale per contrastare l’attività proinfiammatoria e migliorare la barriera negli organoidi del colon umano, 2023.
La TEER è stata misurata con la tecnologia EVOM™ di WPI per dimostrare gli effetti di vari composti sull’integrità della barriera del colon umano infiammato, modellato con organoidi colici umani.
Warschkau et al., Da 3D a 2D: armonizzazione dei protocolli per colture bidimensionali su inserti per colture cellulari di organoidi intestinali di varie specie, 2022.
Il Millicel ERS-2 prodotto da WPI è stato utilizzato per ottimizzare lo sviluppo degli organoidi da colture 2D, così da riprodurre la funzione di barriera del tessuto e sviluppare giunzioni strette elettrofisiologiche in colture funzionali di organoidi.
Salari et al. Cocultura di colonoidi umani e miofibroblasti per lo studio del Na apicale+/H+ Scambiatori della regione del collo delle cripte inferiori, 2023.
Le misurazioni TEER con EVOM™ di WPI sono state utilizzate per quantificare la funzionalità del trasporto paracellulare nelle cellule epiteliali coliche cocultivate con miofibroblasti rispetto alle cellule in monocultura, dimostrando che la funzionalità organizzata spazialmente delle cripte coliche è modellata meglio in un sistema basato su organoidi.
Deleu et al., Le alte concentrazioni di acetato proteggono la barriera intestinale ed esercitano effetti antinfiammatori in colture monostrato epiteliali derivate da organoidi di pazienti affetti da colite ulcerosa, 2023.
La TEER misurata con EVOM™ è stata utilizzata per valutare in fase preclinica gli effetti di alte concentrazioni di acetato sull’infiammazione e sull’integrità della barriera in colture monostrato basate su organoidi ottenuti da pazienti affetti da colite ulcerosa.
In sintesi, gli organoidi si sono affermati come un potente strumento per promuovere la ricerca biomedica e lo sviluppo di farmaci, offrendo vantaggi unici rispetto alle colture cellulari standard, alle colture cellulari 3D, ai sistemi organ-on-a-chip e ai modelli animali. WPI supporta le piattaforme di ricerca sugli organoidi e la tecnologia TEER di WPI è stata fondamentale per valutare funzionalmente l'integrità della barriera degli organoidi e per la scoperta e lo sviluppo di farmaci. WPI continua a sviluppare e integrare ulteriori tecnologie fondamentali per superare gli attuali limiti degli organoidi, aprendo la strada alla diffusione di questa tecnologia in diversi laboratori che studiano una varietà di malattie. Sfruttando i punti di forza di più modelli in vitro e preclinici e affrontandone i rispettivi limiti, i ricercatori possono sviluppare modelli più predittivi e traslazionali per studiare la biologia e le malattie umane.
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