Piccoli grumi, enorme potenziale
Come gli aggregati di cellule viventi mostrano il funzionamento dell’organismo
A prima vista, l’edificio che ospita l’Istituto di biomedicina di Eurac Research può passare inosservato, ma sottoterra, dietro porte ermeticamente sigillate, esiste e si moltiplica un mondo di possibilità: minuscole repliche di organi umani, alcune piccole come una capocchia di spillo, vengono ingegnerizzate per testare trattamenti e sviluppare nuovi modi di guardare alle malattie. Si tratta di organoidi, versioni miniaturizzate e semplificate di organi che vengono prodotti in vitro in tre dimensioni per imitare la complessità funzionale, strutturale e biologica di quell’organo. Ma prima di andare avanti è importante chiarire una cosa: gli organoidi NON sono organi.
I minuscoli modelli 3D di tessuto umano che possono essere modificati per comportarsi, ad esempio, come cellule cardiache o cerebrali, vengono utilizzati per testare i trattamenti e prevedere le risposte dei pazienti. I vantaggi di questa branca della ricerca biomedica potrebbero accelerare lo sviluppo dei farmaci e ridurre i costi. Gli organoidi cardiaci possono riprodurre il battito che può essere osservato al microscopio, consentendo una sperimentazione più accurata delle terapie e dei modelli di malattia. Inoltre, grazie all’ingegnerizzazione di specifici tessuti d’organo, è possibile simulare malattie come il Parkinson, il diabete, i tumori e problemi neurologici e dello sviluppo come l’autismo. In parole povere, i test condotti sugli organoidi forniscono risultati più accurati rispetto a quelli condotti con i tradizionali modelli di coltura cellulare 2D.
Per studiare ulteriormente questi meccanismi e migliorare alcune caratteristiche e comportamenti cellulari, gli organoidi vengono spesso collocati su un chip. Questi piccoli dispositivi contengono i minuscoli tessuti cresciuti in laboratorio e il chip stesso consente di controllare l’ambiente intorno alle cellule in modo che gli organoidi si comportino come se fossero all’interno del corpo. Gli organi su chip (OoC) sono piattaforme sperimentali di nuova generazione per lo studio delle malattie e la sperimentazione di farmaci che combinano ingegneria tissutale e microtecnologia. Utilizzando queste miniature ingegnerizzate o naturali di tessuti coltivati, la necessità di modelli animali diminuisce in modo significativo.
L'Istituto di biomedicina presso il NOI Techpark
Al microscopio gli agglomerati di tessuto rivelano il comportamento delle cellule in tempo reale.
Alla luce della recente decisione della Food and Drug Administration degli Stati Uniti di eliminare gradualmente i test sugli animali per lo sviluppo di farmaci e di sostituirli con metodi più efficaci e rilevanti per le persone, la tendenza a ricorrere ad alternative come organoidi, modellazione computerizzata e bioprinting è destinata a crescere in tutto il mondo. E Bolzano sta guadagnando terreno in questa nuova entusiasmante tecnologia. Per l’Istituto di biomedicina di Eurac Research, una ricerca responsabile si raggiunge quando scienza e analisi etica progrediscono insieme. Una combinazione di background e competenze è stata determinante per creare i protocolli e le condizioni ideali per i laboratori dedicati agli organoidi.
Asiye Malkoc, Francesca Garilli, Paolo Cesare, Marcelo Rosato Siri, Francesca Pischedda, Katja Malfertheiner, Irma Della Corte, Mattia Volta, Sara Pizzi
Credit: Eurac Research | Annelie BortolottiNel 2023, il responsabile scientifico Mattia Volta, insieme alla ricercatrice senior Francesca Pischedda, ha iniziato a sviluppare protocolli di laboratorio per generare organoidi cerebrali e condurre esperimenti all’interno dell'Istituto di biomedicina, garantendo riproducibilità e affidabilità: due aspetti fondamentali per generare risultati significativi.
Francesca supervisiona anche Asiye Malkoc, una giovane ricercatrice post-dottorato con un background in neuroscienze. Asiye sta applicando le sue conoscenze su cellule umane e organoidi cerebrali. Il suo ruolo consiste nel tradurre i concetti tradizionali delle neuroscienze nel contesto dei modelli di organoidi.
Il team beneficia anche delle tecniche avanzate di imaging di Mattia Volta, che consentono di osservare gli organoidi in modo estremamente dettagliato, essenziale per seguire i loro cambiamenti nello sviluppo e nella funzione. Insieme, Mattia, Francesca e Asiye sono impegnati nella progettazione e nello svolgimento di esperimenti incentrati specificamente sugli organoidi del mesencefalo e del cervello. Uno degli obiettivi del team è la malattia di Parkinson, con particolare attenzione alla comprensione dei meccanismi molecolari alla base di questa condizione debilitante.
"Ciò che mi entusiasma di più di questo campo è la velocità con cui sta procedendo. Vengono costantemente sviluppati nuovi strumenti sempre più avanzati e ogni passo ci avvicina alla comprensione del funzionamento del cervello umano".
Katja Malfertheiner
L’elettrofisiologo Marcelo Rosato Siri è specializzato nel modo in cui il sistema elettrico delle cellule cerebrali e cardiache controlla la funzione neuronale e l’attività cardiaca. La sua ricerca visualizza e registra i segnali bioelettrici, offrendo un modo non invasivo per stimolare e monitorare le risposte delle cellule utilizzando la luce e le indicazioni elettriche. Questo consente di monitorare le risposte funzionali degli organoidi in tempo reale senza interrompere il tessuto stesso.
Paolo Cesare è un altro dei responsabili scientifici dell’Istituto, il cui lavoro si concentra sulla generazione di organoidi cerebrali specifici per regione e sulla loro combinazione con tecnologie avanzate. Con il suo team ha sviluppato serie di microelettrodi che possono essere utilizzati per misurare l’attività elettrica nelle cellule cerebrali 3D. Questi strumenti avanzati combinano microfabbricazione, bioelettronica, modelli cellulari avanzati e microfluidica. Questo permette di gestire e controllare minuscole quantità di fluido per definire meglio l’ambiente in cui gli organoidi vengono coltivati per lunghi periodi di tempo.
Marcelo Rosato Siri studia le cellule utilizzando segnali luminosi ed elettrici per monitorare gli organoidi in tempo reale in modo non invasivo.
Sara Pizzi sta sviluppando una piattaforma di ricerca che combina dispositivi microfluidici con microelettrodi innovativi e modelli di cellule neuronali 3D per studiare in modo efficiente come le sostanze tossiche e le malattie cerebrali influenzano le cellule nervose, concentrandosi su proprietà come l’attività elettrica e la struttura cellulare.
Katja Malfertheiner, una dottoranda supervisionata da Sara, sta coltivando versioni semplificate del cervello umano per assomigliare a specifiche regioni cerebrali e le ha inserite in un chip per studiare come queste aree interagiscono e comunicano tra loro, sia in condizioni di salute che di malattia. Grazie a questa tecnologia, è possibile tracciare l’attività elettrica, come una versione mini di un elettroencefalogramma, ma su un chip.
“Mi piace molto questo progetto perché rappresenta un’applicazione innovativa dell’ingegneria biomedica, offrendo un potente strumento per lo studio delle interazioni neuromuscolari come piattaforma per lo screening dei farmaci e la modellazione delle malattie, in un ambiente su microscala altamente controllato”.
Irma Della Corte
La ricercatrice post-dottorato Francesca Garilli ha recentemente avviato un nuovo progetto incentrato sulla coltivazione di organoidi che rappresentano il tessuto del midollo spinale. Queste strutture contengono i neuroni che collegano il sistema nervoso ai muscoli scheletrici in vivo. Tuttavia, questa connessione può essere persa a causa di alcune condizioni patologiche, che possono portare a gravi malattie come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA).
Proprio come gli organoidi stessi, l’Istituto sta crescendo ed evolvendo mentre esplora questi sistemi per trasformare la ricerca biomedica e lo sviluppo di farmaci. Il team collabora attingendo a competenze multidisciplinari e crea opportunità di collaborazione e innovazione. Con gli sviluppi futuri nella progettazione dei chip, si aprono applicazioni in farmacologia e possibilità di integrare modelli di organi multipli per la modellazione di malattie e la sperimentazione terapeutica.
“È incredibile sapere che è possibile ricreare una connessione così complessa direttamente in un sistema in vitro”.
Francesca Garilli
La ricerca sugli organoidi rappresenta il futuro della medicina. Questi minuscoli agglomerati cresciuti in laboratorio imitano la complessità dei tessuti reali, consentendo ai ricercatori di esplorare le malattie, testare i trattamenti e personalizzare le terapie in modi che finora non era neppure possibile immaginare. Riducendo la dipendenza dai modelli animali e consentendo scoperte più rilevanti per le persone, gli organoidi non solo accelerano il percorso verso farmaci più sicuri ed efficaci, ma aprono anche nuove possibilità nella medicina rigenerativa. Con la continua evoluzione della scienza, le tecnologie degli organoidi sono alla base di un approccio all’assistenza sanitaria incentrato sul paziente.
INNo-CHIP
Espansione della ricerca sugli organoidi e delle tecnologie sanitarie regionali
Il progetto INNo-CHIP sta sviluppando la tecnologia OoC, che contribuisce a migliorare la ricerca medica e lo sviluppo di nuovi trattamenti. Guidato dall’Istituto di biomedicina di Eurac Research, il progetto riunisce diverse organizzazioni italiane e svizzere, tra cui NOI TechPark e FEMTOprint SA.
Combinando competenze in scienza dei materiali, biologia e tecnologia, INNo-CHIP riunisce oltre 25 organizzazioni per fornire un supporto diretto ai ricercatori biomedici in Alto Adige, Canton Ticino e nelle regioni circostanti.
A lungo termine, INNo-CHIP spera di rendere queste regioni leader nella ricerca OoC, favorendo l’innovazione, la crescita economica e una maggiore cooperazione tra Italia e Svizzera nel settore biomedico.
La creazione di un prototipo di tecnologia OoC che imiti da vicino la biologia umana potrebbe ridurre la necessità di test sugli animali e accelerare il processo di scoperta di nuovi farmaci e terapie. Il progetto mira anche a consentire alle aziende emergenti di sostenere la commercializzazione di queste innovazioni.
CELLMED
Promuovere la ricerca biomedica in Alto Adige
CELLMED è un progetto cofinanziato dall'Unione Europea e coordinato dall’Istituto di biomedicina di Eurac Research. Ha preso il via a gennaio 2025 e si concluderà a gennaio 2028. Il suo obiettivo è espandere la capacità di laboratorio e potenziare la ricerca biomedica applicata sviluppando modelli cellulari umani avanzati e tecnologie ad alto rendimento, tra cui una piattaforma di imaging all’avanguardia. Il progetto si concentra su modelli neuronali 2D e 3D, come organoidi e sistemi microfisiologici, che sono strumenti fondamentali per sviluppare trattamenti personalizzati. Questi modelli supporteranno l’analisi dettagliata delle cellule, lo screening dei farmaci e lo studio dei meccanismi delle malattie, creando forti opportunità di collaborazione con partner accademici e industriali.
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