Mini-organi dal grande potenziale

Oltre al suo lavoro sulle irregolarità nello sviluppo del cervello, il laboratorio di Treutlein collabora anche all'Atlante delle cellule umane. Si tratta di un atlante di riferimento che un giorno descriverà tutti i tipi di cellule del corpo umano durante lo sviluppo e nell'età adulta. I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando instancabilmente a questo progetto. Il gruppo di ricerca di Treutlein contribuisce principalmente con dati sulla caratterizzazione delle cellule del sistema nervoso. Negli esperimenti, i ricercatori analizzano più di 20.000 geni per cellula e migliaia di cellule. Per gestire le enormi quantità di dati, gli scienziati lavorano con l'apprendimento automatico. "Gli algoritmi riconoscono i modelli nel mare di dati", spiega Treutlein. I dati così ottenuti confluiscono nell'atlante di riferimento e possono essere utilizzati dai ricercatori di tutto il mondo per i loro esperimenti.

Con cellule di pazienti

Alcuni degli organoidi presenti nel laboratorio di Treutlein sono derivati da cellule staminali embrionali, che sono state conservate a livello internazionale come linee cellulari per decenni. Poiché sono all'inizio dello sviluppo umano, possono svilupparsi in tutti i tipi di cellule - a seconda dell'ambiente - e quindi in qualsiasi organoide.

Il gruppo di ricerca genera anche cellule staminali da tessuti adulti. Queste cellule staminali indotte derivano da cellule somatiche, come le cellule della pelle o i globuli bianchi. Grazie a fattori appropriati che vengono convogliati nelle cellule, queste cellule somatiche si trasformano nuovamente in cellule staminali da cui può svilupparsi un nuovo organoide. "L'aspetto entusiasmante di questo approccio è che possiamo isolare le cellule dei pazienti, ricavarne le cellule staminali e infine generare un organoide", spiega Treutlein. "Questo permette ai ricercatori di imitare lo sviluppo delle malattie nella piastra di Petri e di cercare di comprenderle dal punto di vista meccanico".

Una di queste malattie attualmente studiata da una dottoranda del gruppo di ricerca di Treutlein è l'eterotopia periventricolare. In questa malattia del cervello, le cellule nervose sbagliano il percorso corretto durante lo sviluppo. L'epilessia può essere una conseguenza di questo fenomeno. Si sa che sono coinvolti 21 geni. Se gli scienziati disattivano questi geni nell'organoide cerebrale, si verifica uno squilibrio tra i diversi tipi di cellule. Questi sono ancora i risultati preliminari degli esperimenti iniziali. "Tuttavia, se comprendiamo meglio i meccanismi, ciò potrebbe costituire la base per lo sviluppo di terapie", afferma Treutlein.

Più di un semplice tipo di cellula

Per alcuni tipi di cancro al pancreas oggi non esiste praticamente alcun trattamento. In un progetto congiunto con l'Istituto di biologia umana (IHB) di Roche, con sede a Basilea, l'ETH sta lavorando su organoidi basati su cellule tumorali ottenute da pazienti durante una biopsia. I ricercatori possono utilizzare questi tumouroidi per testare una serie di farmaci e i loro effetti. Nel caso del cancro al pancreas, l'obiettivo è quello di trovare un'opzione terapeutica in prima battuta. Per altri tipi di cancro, l'obiettivo è la medicina personalizzata: quale farmaco funziona meglio per uccidere le cellule tumorali in questo individuo? In questo tipo di screening farmacologico, vengono prodotti diversi tumori da una biopsia per testare diversi farmaci su di essi.

La particolarità dei tumoroidi su cui lavorano Treutlein e l'IHB di Roche è la loro composizione: non contengono solo cellule tumorali. L'IHB ha sviluppato un modello di tumoroide che consiste in tre diversi tipi di cellule. Oltre alle cellule tumorali, contiene anche cellule del tessuto connettivo e cellule endoteliali. "Gli esperimenti dimostrano che questo tumouroide complesso reagisce in modo molto diverso ai farmaci rispetto a un tumouroide tradizionale in cui vengono coltivate solo le cellule tumorali", spiega Treutlein. Il passo successivo è ora quello di arricchire ulteriormente la tumouroide complessa con cellule immunitarie.

Il gruppo di ricerca di Treutlein ha analizzato le singole cellule dei tumori. A differenza delle analisi al microscopio, che consentono di stabilire in generale se il tessuto canceroso morirà o meno, la tecnologia a singola cellula di Treutlein permette di fare affermazioni molto più precise. "Gli organoidi sono strutture complesse", spiega il chimico. "L'analisi dei geni e delle proteine a livello delle singole cellule consente agli scienziati di determinare l'efficacia di un trattamento antitumorale nel tumoroide.

"Questo progetto è un esempio di quanto sia preziosa per noi la collaborazione con l'IHB di Roche", afferma Treutlein. Matthias Lütolf, direttore dell'IHB e professore di bioingegneria presso l'ETH di Losanna, concorda: "L'ETH di Zurigo, una delle scuole universitarie più importanti al mondo, è un partner ideale per l'IHB. La qualità dei dottorandi e dei ricercatori dell'ETH parla da sé ed è fondamentale per il successo delle attività di ricerca congiunte". Per Barbara Treutlein, il successo è dovuto soprattutto al diverso orientamento dell'università e dell'industria farmaceutica. "Come università, siamo più capaci di affrontare progetti a lungo termine e quindi rischiosi. Nell'industria, invece, apprezziamo la rilevanza pratica e le sue potenziali applicazioni".

Nell'ambito dell'insegnamento, l'ETH di Zurigo e Roche hanno lanciato un programma di dottorato congiunto. Un dottorando dell'IHB lavorerà presto nel laboratorio di Treutlein. Per entrambi i ricercatori, il fatto che l'ETH di Zurigo e il suo Dipartimento biosistemi abbiano sede a Basilea rappresenta un grande vantaggio. "I nostri studenti comuni dovrebbero avere libero accesso ai laboratori di entrambi i partner e potersi spostare da un'installazione all'altra nel più breve tempo possibile", afferma Lütolf. "Sono convinto che una ricerca di successo richieda uno scambio personale".