Credit: Jakson Luk, Science Advances.
I ricercatori del Francis Crick Institute e di AlveoliX hanno sviluppato il primo modello umano di “polmone su chip” utilizzando cellule staminali prelevate da una sola persona.
Questi chip simulano i movimenti respiratori e le malattie polmonari di un individuo, promettendo di poter testare trattamenti per infezioni come la tubercolosi (TBC) e di fornire una medicina personalizzata. Gli alveoli, ovvero le sacche d’aria nei polmoni, sono la sede essenziale dello scambio gassoso e rappresentano anche un’importante barriera contro i virus e i batteri inalati, che causano malattie respiratorie come l’influenza o la tubercolosi. I ricercatori hanno lavorato per ricreare la “battaglia” tra cellule umane e batteri in laboratorio costruendo un “polmone su chip”: piccole unità di polmone umano su un chip di plastica contenente minuscoli, canali e compartimenti. In questo caso, l’obiettivo era ricreare gli alveoli polmonari, per capire come rispondono alle infezioni.
Finora, questi dispositivi “lung-on-chip” sono stati realizzati con un mix di cellule derivate dai pazienti e cellule disponibili in commercio, il che significa che non sono in grado di replicare completamente la funzione polmonare o la progressione della malattia di un singolo individuo. In uno studio pubblicato su Science Advances , il team del Crick ha sviluppato un nuovo modello di polmone su chip, che contiene solo cellule geneticamente identiche, derivate da cellule staminali di un singolo donatore.
Sulla base di un protocollo precedentemente sviluppato dal laboratorio, il team ha prodotto cellule epiteliali alveolari di tipo I e II e cellule endoteliali vascolari da cellule staminali pluripotenti indotte umane, che possono virtualmente trasformarsi in qualsiasi cellula del corpo. Le epiteliali ed endoteliali vengono coltivate separatamente sulla parte superiore e inferiore di una membrana molto sottile in un dispositivo prodotto dall’azienda biotecnologica AlveoliX, per ricreare una barriera di alveoli.
Per simulare ulteriormente il polmone umano, AlveoliX ha progettato macchinari specifici, per imporre forze di stiramento ritmiche tridimensionali sulla barriera polmonare ricreata, imitando il movimento respiratorio. Questo stimola la formazione di microvilli, una caratteristica fondamentale delle cellule epiteliali alveolari che aumenta la superficie utile per le funzioni polmonari. Successivamente, gli scienziati hanno aggiunto al chip cellule immunitarie chiamate macrofagi, anch’esse prodotte dalle cellule staminali dello stesso donatore, prima di aggiungere batteri della tubercolosi per simulare le fasi iniziali della malattia.
Nei chip infettati da tubercolosi, il team ha rilevato grandi cluster di macrofagi contenenti “nuclei necrotici”, un gruppo di macrofagi morti al centro, circondati da macrofagi vivi. Infine, cinque giorni dopo l’infezione, le barriere cellulari endoteliali ed epiteliali sono collassate, dimostrando che la funzionalità degli alveoli era compromessa. “Data la crescente necessità di tecnologie non animali, gli approcci organo-su-chip stanno diventando sempre più importanti per ricreare i sistemi umani, evitando differenze nell’anatomia polmonare, nella composizione delle cellule immunitarie e nello sviluppo delle malattie tra animali ed esseri umani.-afferma Max Gutierrez, responsabile del gruppo principale del laboratorio sulle interazioni ospite-patogeno nella tubercolosi presso il Crick e autore senior- Composti da cellule geneticamente identiche, i chip potrebbero essere costruiti a partire da cellule staminali di persone con particolari mutazioni genetiche. Questo ci permetterebbe di comprendere l’impatto di infezioni come la tubercolosi su un individuo e di testare l’efficacia di trattamenti come gli antibiotici.”
“La tubercolosi è una malattia a lenta evoluzione, con mesi tra l’infezione e lo sviluppo dei sintomi, quindi c’è una crescente necessità di capire cosa accade nelle fasi iniziali, invisibili -aggiunge Jakson Luk, ricercatore post-dottorato presso il laboratorio sulle interazioni ospite-patogeno nella tubercolosi e primo autore dello studio su Science Advances- Siamo riusciti a imitare con successo questi eventi iniziali nella progressione della tubercolosi, fornendo un quadro olistico di come le diverse cellule polmonari rispondono alle infezioni. Siamo entusiasti che il nuovo modello possa essere applicato a una vasta gamma di ricerche, come altre infezioni respiratorie o il cancro ai polmoni, e ora stiamo valutando di perfezionare il chip incorporando altri importanti tipi di cellule”.
Science Advances: “Autologous human iPSC-derived Alveolus-on-Chip reveals early pathological events of M. tuberculosis infection”. DOI: 10.1126/sciadv.aea9874
Antonio Caperna
