Organoidi cerebrali e mini-colon fanno luce sul cancro e malattie

Organoidi cerebrali-Immagine: parte di un organoide cerebrale realizzato utilizzando cellule staminali umane (viola). Credito: Steve Gschmeissner/Libreria fotografica scientifica.

Piccole strutture 3D realizzate con cellule staminali umane a volte offrono informazioni che i modelli animali non possono offrire.

I ricercatori hanno accolto gli organoidi – gruppi 3D di cellule che imitano gli aspetti degli organi umani – come un potenziale modo per testare farmaci e persino eliminare alcune forme di sperimentazione animale. Ora, in due studi pubblicati il ​​24 aprile su Nature, i biologi hanno sviluppato organoidi intestinali e cerebrali che potrebbero migliorare la comprensione del cancro del colon e aiutare a sviluppare trattamenti per una rara malattia neurologica.

“Negli ultimi dieci anni, le persone hanno dedicato molto tempo allo sviluppo e alla comprensione di come produrre organoidi“, afferma Shuibing Chen, biologo chimico del Weill Cornell Medical College di New York City. “Ma ora è il momento di pensare di più a come utilizzare i modelli”.

“Gli organoidi, in particolare quelli ottenuti da cellule staminali umane, a volte rivelano cose che i modelli animali non possono rivelare“, afferma Sergiu Pașca, neuroscienziato dell’Università di Stanford in California e coautore di uno degli studi. Il gruppo di Pașca studia la sindrome di Timothy: una malattia genetica che coinvolge autismo, problemi neurologici e patologie cardiache che colpisce solo poche decine di persone nel mondo. La sindrome di Timothy è causata da una singola mutazione in un gene chiamato CACNA1C, che codifica un canale attraverso il quale gli ioni calcio entrano nelle cellule, compresi i neuroni.

Pașca afferma che non esistono buoni modelli animali per la sindrome di Timothy perché la mutazione sottostante non causa sempre gli stessi sintomi nei roditori. “Ci è diventato molto chiaro che avremmo dovuto trovare un modo per eseguire test in vivo“, afferma.

Cellule in coltura

I ricercatori si sono rivolti agli organoidi cerebrali per ricreare il disturbo. Hanno prelevato cellule staminali da 3 persone con la mutazione che causa la sindrome di Timothy e le hanno coltivate per circa 250 giorni, trattando le cellule con molecole di segnalazione che le incoraggiavano a trasformarsi in organoidi cerebrali contenenti ogni tipo di neurone presente nella corteccia cerebrale, lo strato esterno del cervello. Per creare un ambiente più realistico per gli organoidi, il team ha poi iniettato queste strutture nel cervello dei ratti, dove le cellule formavano connessioni con i neuroni dei roditori. Ciò ha creato un sistema in cui i ricercatori potevano testare potenziali trattamenti per il disturbo.

I neuroni umani hanno quattro diverse forme di questo canale del calcio, ma solo uno di essi è difettoso nella sindrome di Timothy. Liberarsi del canale mutato, suggeriscono i ricercatori, consentirebbe agli altri canali sani di prendere il sopravvento.

Per fare ciò, i ricercatori hanno identificato brevi frammenti di acidi nucleici chiamati oligonucleotidi che possono impedire alle cellule di produrre la forma mutata della proteina interferendo con le trascrizioni genetiche. Circa due settimane dopo che i ricercatori avevano iniettato questi oligonucleotidi nel cervello dei ratti, la maggior parte dei canali del calcio difettosi negli organoidi e nei neuroni circostanti del ratto erano stati sostituiti da altre versioni della proteina. Anche i neuroni negli organoidi avevano cambiato forma: da forme piccole e meno complesse simili a quelle delle persone con sindrome di Timothy a forme più grandi e complesse tipiche dei neuroni sani. “Ad essere sincero, non pensavo che avrebbe funzionato così bene”, dice Pașca.

Aggiunge che il suo gruppo spera di testare prima o poi la terapia su persone negli studi clinici, anche se dovranno prima dimostrare che gli oligonucleotidi sono sicuri testandoli su primati non umani. I ricercatori ritengono che il trattamento sarebbe efficace per circa tre mesi, quindi le persone avrebbero bisogno di ricevere iniezioni frequenti. “Il vantaggio“, dice Pașca, “è che gli effetti biologici del trattamento sarebbero reversibili e gli eventuali effetti collaterali sarebbero di breve durata“.

Due punti in miniatura

In un articolo separato, il bioingegnere Matthias Lütolf del Politecnico federale di Losanna e i suoi colleghi, hanno utilizzato cellule staminali di topo per modellare il tessuto dell’altra estremità del corpo: il tessuto intestinale che costituisce il colon e il retto. Gli organoidi tendono a crescere in palline strette, quindi i ricercatori hanno coltivato le cellule su un’impalcatura per ricreare le strutture dei tubi viste nel tessuto intestinale reale.

Per creare un modello di cancro al colon, hanno progettato le cellule in modo che contenessero proteine ​​sensibili alla luce attaccate ai geni che causano il cancro. Ciò ha permesso loro di utilizzare un laser blu per accendere i geni e innescare la crescita di tumori in siti specifici dell’organoide, quindi osservare come i tumori cambiavano nel corso delle settimane.

Quando i ricercatori hanno iniettato le cellule cancerose nei topi, i tumori sembravano simili a quelli osservati nel cancro del colon-retto umano. Gli organoidi hanno accumulato meno tumori quando i ricercatori hanno limitato le calorie nel loro mezzo, cosa che accade anche nelle persone con cancro del colon-retto.

Lütolf rimase colpito dalla differenza tra i tumori innescati in tutto l’organoide. “Sarebbe difficile“, dice, “utilizzare gli organoidi per vagliare un gran numero di nuovi farmaci, a causa delle differenze e perché richiedono molto tempo per essere prodotti“. Ma dice che gli organoidi potrebbero essere utili per studiare come i farmaci o le immunoterapie uccidono i tumori e come fattori come l’ambiente e il sistema immunitario di una persona influenzano lo sviluppo e la progressione del cancro del colon-retto.

Lütolf e il suo gruppo progettano di manipolare gli organoidi intestinali per riflettere meglio il sistema umano e sperano che in alcuni casi possano eventualmente sostituire i modelli animali. “I futuri modelli di organoidi“, dice Lütolf, “potrebbero includere batteri che vivono nell’intestino o potrebbero essere esposti a diversi livelli di ossigeno che imitano quelli disponibili in varie regioni anatomiche dell’intestino”.

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“I due studi sono “molto ben progettati” “, afferma Chen. Aggiunge che i modelli organoidi sembrano particolarmente utili nel mostrare la complessità di malattie come la sindrome di Timothy e il cancro del colon-retto e il modo in cui progrediscono nel tempo. “Ora che i ricercatori hanno trovato buoni modi per creare organoidi che modellano organi diversi”, dice, “i prossimi passi saranno imparare come aumentare la produzione per lo sviluppo di farmaci e renderli più complessi in modo che riflettano la vera biologia umana”.

Fonte:Nature