Esperienze e opinioni

Da ricercatore ricordo ancora il disagio che provavo ogni volta che dovevo sacrificare animali da laboratorio per un esperimento. Per decenni, animali come topi, ratti e maiali sono stati strumenti essenziali nella ricerca biomedica. Eppure molti scienziati si chiedono se siano possibili alternative migliori e più umane.

A livello globale, si stima che ogni anno quasi 200 milioni di animali vengano usati nella ricerca di laboratorio. Sebbene i modelli animali abbiano contribuito a generare importanti scoperte mediche, non sempre riflettono il funzionamento della biologia umana. Nuove tecnologie offrono ora agli scienziati un’alternativa promettente: gli organoidi, minuscole versioni tridimensionali di organi umani coltivati ​​in laboratorio.

Questi “mini organi” vengono allevati ​​da cellule staminali umane e possono riprodurre alcuni dei complessi tipi cellulari e delle interazioni presenti nel corpo. Poiché derivano da cellule umane, gli organoidi offrono ai ricercatori un modo per studiare le malattie umane in modo più diretto rispetto ai tradizionali modelli animali.

Organoidi per la ricerca sul cervello

Questo approccio sta guadagnando enorme attenzione nella ricerca sul cervello. Rispetto a molti altri organi, il cervello presenta sfide uniche per gli scienziati. I disturbi cerebrali sono spesso complessi e difficili da definire con precisione, poiché comportano sottili cambiamenti in molti tipi di cellule e circuiti neurali. Allo stesso tempo, il cervello è uno degli organi meno accessibili del corpo. A differenza del sangue o della pelle, il tessuto cerebrale vivente non può essere facilmente prelevato da individui sani.

Il morbo di Alzheimer (MA), ad esempio, è una crescente preoccupazione sanitaria globale, soprattutto a causa dell’invecchiamento della popolazione. Tuttavia, trovare trattamenti si è rivelato estremamente difficile. Una revisione sistematica della ricerca condotta nell'arco di due decenni ha rilevato che 98 candidati farmaci per il MA hanno fallito negli studi clinici mentre solo due hanno avuto successo. Ciò evidenzia l’enorme sfida di sviluppare terapie efficaci.

Uno dei motivi di questo fallimento è che i farmaci che funzionano sugli animali spesso non funzionano sugli esseri umani. Topi ed esseri umani condividono molte caratteristiche biologiche, ma importanti differenze tra le specie fanno sì che i modelli animali non possano riprodurre completamente l’architettura e la complessità del cervello umano.

I modelli di laboratorio tradizionali presentano anche altre limitazioni. Ad esempio, molti esperimenti si basano su colture cellulari bidimensionali, in cui le cellule crescono in strati piatti su piatti di plastica. Sebbene utili, questi sistemi non hanno la struttura tridimensionale e le interazioni cellula-cellula presenti nei tessuti reali. Senza questa complessità, non possono imitare accuratamente molti processi patologici.

È qui che gli organoidi stanno trasformando la ricerca biomedica. Nel 2013, gli scienziati hanno dimostrato che gli organoidi cerebrali allevati ​​da cellule staminali umane possono auto-organizzarsi in strutture simili a parti del cervello in via di sviluppo. Questi “mini cervelli” contengono più tipi di cellule neurali e possono imitare aspetti dello sviluppo iniziale del cervello. I ricercatori ora li usano per studiare condizioni come l’autismo, il MA e la sclerosi laterale amiotrofica (SLA).

Intestino, fegato, rene, pancreas

Oltre al cervello, gli scienziati hanno creato organoidi che assomigliano a molti altri tessuti, tra cui l’intestino, il fegato, i reni e il pancreas. Questi modelli consentono ai ricercatori di studiare malattie e testare sostanze chimiche su tessuti simili a quelli umani piuttosto che su animali. Ad esempio, gli organoidi potrebbero un giorno essere usati per rilevare la tossicità delle sostanze chimiche su più organi usando cellule derivate da individui diversi.

Nella mia ricerca, il mio laboratorio coltiva organoidi dal tessuto pancreatico umano e di topo per studiare la diversità cellulare e l'infiammazione pancreatica. Questi modelli ci permettono di esplorare come si comportano i diversi tipi di cellule pancreatiche in tre dimensioni, qualcosa che sarebbe impossibile da osservare nelle tradizionali colture di cellule piatte.

Potenziale per la medicina personalizzata

Un vantaggio chiave degli organoidi è la loro capacità di catturare la diversità umana. I topi da laboratorio impiegati negli esperimenti, invece, sono spesso geneticamente identici, il che non riflette la diversità delle popolazioni umane. Gli organoidi possono essere coltivati ​​da cellule donate da singoli pazienti, consentendo ai ricercatori di studiare come si sviluppano le malattie in diversi contesti genetici.

Ciò apre le porte alla medicina personalizzata, in cui gli scienziati testano potenziali trattamenti su organoidi derivati ​​dai pazienti prima di somministrarli ai pazienti. Gli organoidi derivati ​​dai pazienti possono prevedere come gli individui potrebbero rispondere a determinati farmaci, ad esempio le risposte alla chemioterapia nei pazienti con cancro del colon-retto metastatico.

Gli organoidi coltivati ​​da molti individui, d’altro canto, possono fornire una rappresentazione più realistica di come una popolazione risponderà ai farmaci. Ciò aiuta i ricercatori a identificare i trattamenti che hanno maggiori probabilità di successo negli studi clinici. Nel complesso, gli organoidi stanno diventando potenti strumenti per la scoperta di farmaci e i test di sicurezza.

Potrebbe essere questa la fine della sperimentazione animale?

Alcuni scienziati ritengono che gli organoidi possano sostituire del tutto gli animali in determinate aree di ricerca. La tecnologia degli organoidi si allinea ai principi delle '3R' nella ricerca sugli animali – riduzione, raffinamento e rimpiazzo – che mirano a ridurre al minimo l’uso degli animali nella scienza.

Riflettendo questo cambiamento, il National Institutes of Health (NIH) degli Stati Uniti ha recentemente annunciato che darà priorità alle tecnologie di ricerca che usano modelli basati sull’uomo piuttosto che basarsi esclusivamente su esperimenti sugli animali. I pionieri nel settore sono ottimisti. Hans Clevers, uno scienziato di spicco che ha contribuito allo sviluppo degli organoidi intestinali, ha suggerito che gli organoidi potrebbero infine sostituire gli animali in alcune forme di test tossicologici entro i prossimi decenni.

Comunque gli organoidi non sono perfetti

Sebbene siano molto più complessi delle colture cellulari tradizionali, gli organoidi rimangono versioni semplificate degli organi reali. Molti mancano di vasi sanguigni, il che ne limita le dimensioni e la maturità. Non riescono ancora a catturare l’intera diversità dei tipi cellulari presenti nei tessuti umani, come le cellule immunitarie. Studi hanno anche dimostrato che le cellule all'interno degli organoidi possono subire stress a causa delle condizioni di crescita in laboratorio.

Per ora, gli organoidi dovrebbero essere visti come potenti aggiunte agli strumenti scientifici piuttosto che come sostituti completi dei modelli animali. Gli organoidi sono ancora una tecnologia emergente, ma stanno già rimodellando il modo in cui gli scienziati studiano la biologia e le malattie umane. Con il miglioramento della tecnologia, questi minuscoli organi coltivati ​​in laboratorio potrebbero aiutare i ricercatori a ridurre la dipendenza dalla sperimentazione animale, avvicinandoci alla comprensione e al trattamento di malattie umane complesse.