Organi su chip per lo studio dei tessuti in microgravità

Osteoporosi, sarcopenia, presbiopia, sono solo alcune delle malattie che affettano le persone in età senile ma che a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) sono all’ordine del giorno. Risulta sempre più importante, alla soglia dei viaggi su Marte, capire come contrastare al meglio queste problematiche, e nel frattempo, trovare cure sempre più efficaci da attuare sulla Terra.

A tal proposito, il Centro Nazionale per lo Sviluppo delle Scienze Traslazionali (NCATS) presso l’Istituto Nazionale di Sanità (NIH) e il Centro per l’Avanzamento della Scienza nello Spazio (CASIS) in collaborazione con la NASA, manderanno sull’ISS dei piccoli dispositivi contenenti cellule umane disposte in una matrice 3D. Questo studio permetterà di capire come queste cellule rispondono a stress, farmaci e cambiamenti genetici. Circa le dimensioni di una pen drive, i dispositivi sono noti come “chip di tessuto” o “organi su chip”.

Un invecchiamento prematuro

Molti dei cambiamenti nel corpo umano causati dalla microgravità ricordano l’inizio e la progressione delle malattie associate all’invecchiamento sulla Terra, come la perdita di ossa e di massa muscolare. I cambiamenti nello spazio, però, si verificano molto più velocemente. Ciò significa che gli scienziati potrebbero essere in grado di utilizzare questi piccoli organi nello spazio per modellare i cambiamenti che potrebbero richiedere mesi, e nella maggior parte dei casi, anni, sulla Terra.

“Il volo spaziale causa molti cambiamenti significativi nel corpo umano“, ha speigati Liz Warren, ricercatrice associata al programma CASIS. “Ci aspettiamo che questi piccoli tessuti nello spazio si comportino in modo molto simile al corpo di un astronauta, vivendo lo stesso tipo di rapidi cambiamenti”.

Unità funzionale al di fuori del corpo umano

Chiamato anche “sistema micro-fisiologico”, un chip di tessuto ha bisogno di tre proprietà principali, secondo quanto elencato da Lucie Low, responsabile del programma scientifico presso NCATS. “Deve essere 3D, perché gli umani sono in 3D”, ha spiegato. “Deve avere diversi tipi di cellule, perché un organo è costituito da tutti i tipi di tipi di tessuto. E deve avere anche canali microfluidici, perché ogni singolo tessuto del nostro corpo ha una vascolarizzazione per portare sangue e sostanze nutritive e per eliminare quelle tossiche”.

I mini-organi su chip imitano le complesse funzioni biologiche di specifici organi meglio di una classica coltura cellulare 2D. “In sostanza, si ottiene un’unità funzionale di ciò che sono i tessuti umani, al di fuori del corpo”, ha detto Low.

Potenziali applicazioni

I piccoli tessuti in 3D saranno decisivi nello sviluppo di nuovi farmaci. Circa il 30% dei farmaci considerati promettenti in un primo momento, sono risultati poi tossici sull’uomo, nonostante gli studi preclinici favorevoli in modelli animali. Inoltre, circa nel 60% dei potenziali candidati, il farmaco fallisce a causa della mancanza di efficacia, ciò significa che il farmaco non ha l’effetto desiderato su una persona.

Avere modelli sempre più simili alla reale struttura del corpo umano permetterà di verificare la tossicità molto prima nel processo produttivo, nonché di ridurre il numero di effetti collaterali. I chip di tessuto forniscono ai ricercatori un modello per prevedere se un farmaco candidato, un vaccino o un agente biologico è sicuro negli esseri umani in modo più rapido ed efficace rispetto ai metodi attuali.

Studio nuovo, ma non troppo

I mini-organi su chip si basano sulla conoscenza della microfluidica acquisita in studi precedenti effettuati sull’ISS. Entreranno in gioco anche hardware e sistemi nuovi, non ancora testati. Gli ingegneri hanno dovuto miniaturizzare attrezzature complesse utilizzate per mantenere le condizioni ambientali adeguate per i chip. Quell’hardware, delle dimensioni di un frigorifero nei laboratori sulla Terra, occupa circa lo spazio di una scatola di scarpe nello spazio.

“Volevamo semplificare tutto per il volo spaziale, quindi gli astronauti devono semplicemente collegare una scatola all’ISS, senza fare nulla di pratico con siringhe o liquidi”.

L’automazione e la miniaturizzazione realizzate per i chip di tessuto contribuiranno alla standardizzazione di questa tecnologia, e serviranno a promuove anche la ricerca sulla Terra. “Ora abbiamo uno strumento che può essere inviato ovunque sul pianeta”, ha aggiunto Low.

Quando e come partiranno?

La prima fase dello studio ha cinque obiettivi. La ricerca sull’invecchiamento del sistema immunitario verrà lanciata sul volo SpaceX CRS-16, in programma per il 4 dicembre 2018 alle 19:38 ore italiane. Gli altri quattro, che verranno lanciati su SpaceX CRS-17 o sui voli successivi, includono la difesa polmonare, la barriera emato-encefalica, le malattie muscolo-scheletriche e la funzione renale. Questi primi voli testeranno gli effetti della microgravità sui frammenti di tessuto e dimostreranno la capacità del nuovo sistema automatizzato.

Nuovamente, e senza dare spazio a opinioni contrarie, la ricerca spaziale si dimostra indispensabile nel miglioramento della tecnologia e della qualità di vita sulla Terra.