Uno studio pubblicato su Nature Biomedical Engineering descrive una nuova tecnica che consente di ottenere organoidi dell'intestino, del colon e dello stomaco fino a dieci volte più grandi, maturi e dotati di un sistema nervoso enterico sviluppato spontaneamente
Costruire in laboratorio un tessuto intestinale capace di crescere, funzionare e integrarsi nell’organismo è uno degli obiettivi più ambiziosi della medicina rigenerativa. Negli ultimi anni gli organoidi, minuscole strutture tridimensionali ottenute da cellule staminali, hanno rivoluzionato la ricerca consentendo di riprodurre molte caratteristiche degli organi umani. Tuttavia, la loro applicazione terapeutica è stata finora limitata da un problema cruciale: le dimensioni ridotte, la maturazione incompleta e la difficoltà di sviluppare una rete nervosa realmente funzionante. Ora un gruppo di ricercatori del Cincinnati Children’s Hospital Medical Center ha sviluppato una tecnologia che potrebbe contribuire a superare questi ostacoli. Lo studio, pubblicato su Nature Biomedical Engineering, presenta un sistema innovativo di coltura che permette di ottenere tessuti umani dell’intestino tenue, del colon e dello stomaco molto più grandi rispetto a quelli prodotti con le tecniche tradizionali e dotati di un sistema nervoso enterico sviluppato autonomamente.
Dalle cellule staminali a un intestino più simile a quello naturale
Gli organoidi derivano da cellule staminali pluripotenti umane e rappresentano uno dei modelli più sofisticati oggi disponibili per studiare lo sviluppo degli organi, le malattie e la risposta ai farmaci. Grazie alla loro capacità di auto-organizzarsi, riproducono numerosi aspetti dei tessuti naturali, ma non riescono ancora a replicare completamente la complessità dell’organismo umano. Nel caso dell’intestino, gli organoidi crescono generalmente come piccole strutture sferiche che raggiungono appena un millimetro di diametro dopo diverse settimane di coltura. Anche dopo il trapianto continuano a presentare dimensioni limitate e una maturazione non sempre sufficiente per ipotizzare applicazioni cliniche. Per superare questi limiti, negli ultimi anni sono stati sviluppati approcci complessi che prevedono l’aggiunta artificiale di cellule nervose e di altri componenti cellulari coltivati separatamente. Il nuovo studio segue una strada diversa. I ricercatori hanno ideato un sistema chiamato Confined Culture System (CCS), basato su speciali supporti stampati in 3D e su vassoi in silicone dotati di microcanali progettati per allineare e confinare migliaia di piccoli sferoidi cellulari durante la crescita. Questo ambiente controllato favorisce la loro fusione spontanea e la formazione di strutture allungate che ricordano molto più da vicino l’architettura tubolare dell’intestino umano.
Organoidi più grandi in metà tempo
I risultati ottenuti sono significativi. Gli organoidi prodotti con il sistema CCS raggiungono una maturazione sufficiente per il trapianto dopo appena 14 giorni di coltura, contro i circa 28 giorni richiesti dai protocolli tradizionali. Una volta trapiantati in modelli animali immunodeficienti, i tessuti hanno mostrato un attecchimento completo e hanno continuato a svilupparsi fino a raggiungere dimensioni notevoli. Dopo dieci settimane, gli organoidi dell’intestino tenue hanno raggiunto larghezze fino a otto centimetri, rispetto al singolo centimetro ottenibile con le metodiche precedenti. Le analisi istologiche hanno evidenziato un elevato grado di maturazione: villi intestinali ben sviluppati, cripte più profonde, muscolatura più spessa e la presenza delle principali popolazioni cellulari tipiche dell’intestino umano, comprese cellule di Paneth, cellule enteroendocrine e cellule produttrici di muco. “Raggiungendo la maturità per il trapianto due volte più rapidamente e sviluppando autonomamente nervi funzionali, questi organoidi dimostrano come i principi dell’ingegneria possano guidare l’innovazione biologica – spiega Holly Poling, prima autrice dello studio -. Il nostro sistema non è soltanto un metodo produttivo, ma una piattaforma scalabile e flessibile per costruire tessuti umani complessi”.
Il “secondo cervello” nasce spontaneamente
L’aspetto che ha maggiormente colpito i ricercatori riguarda lo sviluppo del sistema nervoso enterico, la complessa rete di neuroni che controlla digestione, motilità intestinale, secrezioni e numerose altre funzioni gastrointestinali. Non a caso viene spesso definito il “secondo cervello” dell’organismo. Nei modelli precedenti la presenza di una rete nervosa funzionante richiedeva l’aggiunta di cellule nervose coltivate separatamente e successivamente integrate negli organoidi. Nel sistema CCS, invece, il sistema nervoso si sviluppa spontaneamente durante la crescita del tessuto. Le analisi hanno confermato la presenza di neuroni eccitatori e inibitori, cellule gliali enteriche e cellule interstiziali di Cajal, fondamentali per coordinare le contrazioni intestinali. Il sequenziamento dell’RNA ha inoltre dimostrato una notevole varietà di popolazioni neuronali, assenti negli organoidi ottenuti con le tecniche convenzionali. Anche dal punto di vista funzionale i risultati sono incoraggianti. Gli organoidi hanno mostrato contrazioni ritmiche spontanee e risposte agli stimoli elettrici molto simili a quelle osservate nel tessuto intestinale umano adulto. Secondo gli autori, ciò indica che la rete nervosa sviluppatasi all’interno degli organoidi non è soltanto presente dal punto di vista anatomico, ma è realmente capace di controllare l’attività neuromuscolare del tessuto.
Un possibile aiuto per i bambini con insufficienza intestinale
Il lavoro si inserisce nel programma di ricerca del Center for Stem Cell & Organoid Medicine (CuSTOM) del Cincinnati Children’s Hospital, uno dei principali centri internazionali impegnati nello sviluppo di organoidi e terapie rigenerative. Da oltre dieci anni il chirurgo pediatrico Michael Helmrath, co-direttore del centro e tra gli autori dello studio, lavora alla realizzazione di tessuti intestinali destinati ai bambini affetti da gravi danni gastrointestinali e insufficienza intestinale, una condizione che può richiedere nutrizione artificiale a lungo termine o il trapianto dell’organo. “Non è ancora possibile coltivare un organo umano completo in laboratorio – sottolinea Helmrath -. Ma ricerche come questa permettono già di produrre quantità significative di tessuto personalizzato che potrebbe integrarsi con l’organo del paziente e ripristinarne le funzioni”.
Dalla medicina rigenerativa alla ricerca sui farmaci
La strada verso la sperimentazione clinica sull’uomo richiederà ancora ulteriori verifiche di sicurezza ed efficacia. Tuttavia, secondo gli autori, la nuova tecnologia rappresenta un passo importante verso la possibilità di trattare in futuro bambini e neonati con insufficienza intestinale senza dover necessariamente ricorrere a un trapianto completo d’organo. Le possibili applicazioni non si limitano però alla medicina rigenerativa. Grazie alla presenza di una rete nervosa funzionale e a un livello di maturazione più vicino a quello dei tessuti naturali, questi organoidi potrebbero diventare strumenti preziosi per studiare malattie gastrointestinali, disturbi dello sviluppo del sistema nervoso enterico e gli effetti tossici dei farmaci assunti per via orale. La possibilità di costruire in laboratorio tessuti sempre più complessi e fisiologicamente realistici conferma come l’incontro tra bioingegneria, cellule staminali e medicina rigenerativa stia trasformando rapidamente scenari che fino a pochi anni fa appartenevano alla fantascienza in prospettive concrete per la ricerca e, un giorno, per la cura dei pazienti.
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