Organ-on-chip per lo sviluppo di farmaci per il diabete

Burcak Yesildag di InSphero e Patrick Misun del Laboratorio di Bioingegneria del Politecnico di Zurigo a Basilea presentano la loro nuova piattaforma di test che aiuta i ricercatori sul diabete a sviluppare nuovi farmaci e a comprendere meglio i meccanismi biologici sottostanti.

02.07.2020 da Melanie Johnson

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Fig. 1 Rappresentazione simbolica della piattaforma organ-on-chip - il chip consente di conservare campioni di tessuto in gocce sospese.

Usare cellule umane sul proprio chip?

Patrick: ? così. Stiamo sviluppando piattaforme per lo studio di agenti medici al di fuori del corpo in condizioni che assomigliano il più possibile all'organo vivente. Il nostro obiettivo è ottenere dati fisiologicamente significativi e riproducibili. In questo caso, abbiamo studiato la secrezione tempo-dipendente di insulina dalle cellule pancreatiche.

Il vostro chip ha un design insolito. ? aperto sul fondo. Le gocce pendono da esso. Perché i ricercatori dovrebbero condurre studi sulla secrezione in gocce sospese invece che in camere ben sigillate? La struttura sembra un po' traballante ....

Patrick: Le gocce sospese si sono dimostrate un mezzo assolutamente affidabile e riproducibile per analizzare le sostanze attive sui microtessuti. Inseriamo un microtessuto in ogni goccia, che si deposita sulla superficie acqua-aria sul fondo della goccia (vedi Fig. 2). Facciamo scorrere piccoli volumi di liquido attraverso la goccia per fornire al tessuto sostanze nutritive, ma anche per introdurre sostanze attive. Il modello di flusso nella gocciolina sospesa è unico e offre vantaggi rispetto ai sistemi chiusi. Lo sfruttiamo per analizzare le secrezioni del tessuto con un'elevata risoluzione temporale.

Immagine di un campione di tessuto e di un campione di tessuto in una goccia pendente — Fig. 2 (a sinistra) Campione di tessuto. (A destra) Campione di tessuto in una goccia sospesa. Sia i nutrienti che le sostanze attive scorrono senza problemi attraverso la goccia.

Da dove prendi i campioni di tessuto?

Patrick: Questa è una domanda per il mio collega Burcak di InSpero. Abbiamo un'ottima collaborazione in cui il Politecnico di Zurigo è responsabile dello sviluppo tecnico della piattaforma organ-on-chip e InSpero fornisce il microtessuto.

Burcak: In effetti, le nostre competenze si completano molto bene. Produciamo microtessuti pancreatici da donazioni di organi umani. Otteniamo cellule isolate di isole. Si tratta dei micro-organi del pancreas che secernono ormoni come l'insulina, che regola i livelli di zucchero nel sangue. Sezioniamo queste isole, di dimensioni e composizione diverse, e le riassembliamo in microtessuti tridimensionali standardizzati. I campioni di tessuto regolari consentono di ottenere risultati più riproducibili.

I microtessuti fabbricati sono ancora naturali?

Burcak: La struttura del nostro microtessuto assomiglia molto alla struttura delle cellule isolate del pancreas umano e conserva quindi la sua risposta naturale a vari stimoli. Se esponiamo il microtessuto a un aumento della concentrazione di glucosio, le cellule reagiscono con un rapido rilascio di insulina. A questo segue, pochi minuti dopo, una secrezione meno intensa e oscillante (vedi Fig. 3). Questa reazione è compromessa nel diabete. Esistono vari approcci per ripristinare una sana secrezione di insulina. I ricercatori stanno analizzando in dettaglio l'andamento temporale della secrezione di insulina per comprendere meglio i meccanismi alla base del diabete e sviluppare farmaci per il trattamento. La combinazione del nostro robusto microtessuto con la piattaforma di test di Patrick offre una risoluzione temporale senza precedenti per le nostre conoscenze.

Grafico che mostra la secrezione di insulina nel tempo e il corrispondente livello di glucosio — Fig. 3 Il microtessuto secerne insulina quando i livelli di glucosio nel sangue sono elevati. La secrezione segue uno schema tipico: una prima fase intensa seguita da una seconda fase pulsante.

Ultima domanda: quando sarà disponibile in commercio la piattaforma organ-on-chip?

Burcak: Il microtessuto è disponibile da subito nell'ambito di progetti di collaborazione con InSphero.

Patrick: Attualmente disponiamo di prototipi funzionanti che vorremmo ottimizzare in collaborazione con partner accademici e industriali. I nostri prototipi consentono di effettuare misurazioni molto sensibili su singole cellule di isole, che speriamo siano molto utili per la ricerca sul diabete. Nella fase successiva, vorremmo aumentare la produttività sperimentale, che è un criterio fondamentale per la sperimentazione dei farmaci. Inoltre, vogliamo ridurre la complessità operativa in modo che il sistema possa essere utilizzato in un'ampia gamma di laboratori.