Gli organoidi aggiungono nuove dimensioni alla ricerca su cellule, tessuti e organi

Ingegneria dei tessuti, editing genetico, organi su chip: non c'è dubbio che le colture cellulari e le linee cellulari abbiano trasformato la biologia e la medicina.

Ma mentre la scienza si avvicina ai limiti di ciò che uno o due tipi di cellule possono fare, i ricercatori si rivolgono agli organoidi, uno strumento più nuovo in grado di imitare gli ambienti corporei e imitare non solo le cellule, ma anche i tessuti e gli organi.

"Una delle cose più straordinarie degli ultimi 10 anni è la scoperta, attraverso il lavoro cooperativo di letteralmente centinaia di laboratori in tutto il mondo, che possiamo coltivare essenzialmente qualsiasi tipo di cellula al di fuori del corpo utilizzando questo kit di strumenti organoidi", ha affermato Andrew Ewald, che dirige il Dipartimento di Biologia Cellulare della Johns Hopkins School of Medicine.

Per più di un secolo, i ricercatori hanno coltivato cellule in laboratorio per studiare malattie, tossine e trattamenti. Ma, come fotocopiare una singola pagina di un libro, la coltura delle cellule racconta solo una parte della storia.

Gli organoidi, che contengono più tipi di cellule interagenti, sono più simili a una sinossi. La distinzione tra culture e organoidi è la differenza tra un cetriolo e un’insalata, o tra una candela e un motore.

"Sono simili ad organi: le caratteristiche strutturali delle cellule in queste disposizioni tridimensionali sono molto simili a come apparirebbero all'interno del corpo", ha detto Ewald.

La ricerca di Ewald si basa sul lavoro dei pionieri del settore, che alla fine degli anni '80 dimostrarono che le cellule epiteliali del seno, coltivate su un'impalcatura proteica tridimensionale, potevano formare dotti e persino produrre latte, un processo difficile da studiare negli esseri umani viventi.

"Siamo in grado di osservare nuovi tubi iniziare, allungarsi, biforcarsi e polarizzarsi fino al loro stato di differenziazione matura, il tutto in pochi giorni in laboratorio", ha affermato Ewald.

Ewald studia anche il cancro e le metastasi. Ma le cellule tumorali possono impiegare settimane o anni per formare nuovi tumori negli organi vitali, quindi Ewald utilizza gli organoidi per modellare le diverse fasi del processo in laboratorio.

Questa finestra che gli organoidi offrono sui processi cellulari complessi potrebbe aiutare gli scienziati a vedere come le cellule si sviluppano, cambiano e muoiono, anche nel mondo intricato e specializzato del cervello.

"Li usiamo davvero per studiare aspetti del neurosviluppo e delle malattie neurodegenerative, con particolare attenzione al morbo di Alzheimer", ha affermato il biologo molecolare dell'ASU David Brafman.

I ricercatori possono coltivare organoidi da cellule staminali adulte, che producono cellule specifiche per il proprio tipo di tessuto, o cellule staminali pluripotenti indotte (iPS) che, con la giusta spinta che coinvolge determinate colture e fattori di crescita, possono diventare qualsiasi tipo di cellula nel corpo.

Il tipo che i ricercatori scelgono di utilizzare dipende dalle loro esigenze e obiettivi.

Il laboratorio di Brafman introduce diversi fattori di rischio di malattia nelle cellule iPS prelevate da un individuo sano. Poiché queste cellule sono geneticamente identiche, forniscono un nesso causale più chiaro tra fattori di rischio e malattie.

"Ciò fornisce un controllo molto maggiore, piuttosto che prendere un set di cellule iPS da un gruppo di pazienti sani e da un gruppo di pazienti malati, dove non solo si confronta lo stato patologico con lo stato sano, ma si confronta anche differenze nel background genetico”, ha detto Brafman.

L'utilità degli organoidi risiede in parte nella loro capacità di costruire interi quartieri che ospitano tipi cellulari diversi e interagenti. Per dare un senso a questo ambiente complesso, i ricercatori utilizzano coloranti speciali per colorare i tipi di cellule con colori diversi.

"E quando li guardiamo effettivamente, possiamo vedere che contengono tutti i tipi di cellule del tessuto da cui abbiamo raccolto", ha detto Curtis Thorne, biologo specializzato in cellule tumorali dell'UA.

Immaginate un organoide come una massa gelatinosa punteggiata di macchie simili all'uva passa, non diversamente da una sgradevole insalata di ambrosia. La ricetta è semplice, se non semplice: iniziare con un campione sano o malato; aggiungere enzimi; tritare per separare le cellule desiderate; metterli in un'impalcatura proteica 3-D; aggiungere la zuppa nutriente; e lasciare crescere in una camera climatizzata.

"Nel giro di poche settimane vedremo svilupparsi queste piccole strutture che chiamiamo organoidi", ha detto Thorne. "E quando diventano abbastanza grandi, possiamo spezzettarli e risospenderli nell'impalcatura, così continuano a crescere e ad amplificarsi."