Le micrografie elettroniche a scansione mostrano le fibre dettagliate delle membrane SF.
Gli ingegneri biomedici hanno sviluppato una membrana ultrasottile a base di seta che può essere utilizzata nei modelli organ-on-a-chip per imitare meglio l'ambiente naturale delle cellule e dei tessuti all'interno del corpo
I sistemi Organ-on-chip (OOC) stanno rivoluzionando l’ingegneria dei tessuti fornendo modelli dinamici della struttura dei tessuti, della funzione a livello di organo e dei fenotipi delle malattie utilizzando cellule umane. Tuttavia, i componenti non biologici dei dispositivi OOC spesso limitano la ricapitolazione della diafonia e della morfogenesi tessuto-tessuto in vivo.
La nuova membrana, quando utilizzata in una piattaforma renale con organo su chip, aiuta i tessuti a crescere per ricreare la funzionalità sia dei reni sani che di quelli malati. Consentendo alle cellule di crescere più vicine tra loro, questa innovativa membrana, descritta in una ricerca pubblicata su Science Advances (1), aiuta i ricercatori a controllare meglio la crescita e la funzione delle cellule e dei tessuti chiave di qualsiasi organo, consentendo loro di modellare in modo più accurato un’ampia gamma di malattie e testare terapie.
Spesso non più grandi di una chiavetta USB, i sistemi organ-on-a-chip (OOC) hanno rivoluzionato il modo in cui i ricercatori studiano la biologia di base del corpo umano, sia che si tratti di creare modelli dinamici di strutture tissutali, di studiare le funzioni degli organi o di modellare malattie. Queste piattaforme sono progettate per stimolare la crescita e la differenziazione cellulare in un modo che imita al meglio l'organo di interesse. I ricercatori possono persino popolare questi strumenti con cellule staminali umane con lo scopo di generare modelli di organi specifici indirizzati al paziente per studi preclinici.
Ma man mano che la tecnologia si è evoluta, sono emersi anche problemi nella progettazione del chip, in particolare con i materiali utilizzati per creare le membrane che formano la struttura di supporto su cui crescono le cellule specializzate. Queste membrane sono tipicamente composte da polimeri che non si degradano, creando una barriera permanente tra cellule e tessuti. Mentre le membrane extracellulari negli organi umani hanno spesso uno spessore inferiore a un micron, queste membrane polimeriche hanno uno spessore compreso tra 30 e 50 micron, il che ostacola la comunicazione tra le cellule e limita la crescita cellulare.
«Vogliamo maneggiare i tessuti contenuti in questi chip proprio come un patologo tratterebbe campioni bioptici o addirittura tessuti viventi di un paziente, ma questo non era possibile con le membrane polimeriche standard perché lo spessore extra impediva alle cellule di formare strutture che si avvicinassero più strettamente assomigliano ai tessuti del corpo umano», ha detto la dottoressa Samira Musah (2), assistente professoressa di ingegneria biomedica e medicina alla Duke. «Abbiamo pensato: 'Non sarebbe bello se potessimo ottenere un materiale a base di proteine che imitasse la struttura di queste membrane naturali e fosse abbastanza sottile da poter essere tagliato e studiato?'»
Questa domanda ha portato Musah e Xingrui (George) Mou (3), uno studente di dottorato nel laboratorio di Musah e primo autore dell'articolo, a scoprire la fibroina della seta, una proteina creata dai bachi da seta che può essere filata elettronicamente in una membrana. Se esaminata al microscopio, la fibroina della seta sembra uno spaghetto o un dipinto di Jackson Pollock. Realizzato con fibre lunghe e intrecciate, il materiale poroso imita meglio la struttura della matrice extracellulare presente negli organi umani ed è stato precedentemente utilizzato per creare impalcature per scopi come la guarigione delle ferite.
«La fibroina della seta ci ha permesso di ridurre lo spessore della membrana da 50 micron a cinque o meno, il che ci avvicina di un ordine di grandezza a quello che vedresti in un organismo vivente», ha spiegato Mou.
Per testare questa nuova membrana, Musah e Mao hanno applicato il materiale ai loro modelli di chip renali. Realizzata in plastica trasparente e grande all'incirca quanto un quarto di dollaro, questa piattaforma OOC è pensata per assomigliare a una sezione trasversale di un rene umano, in particolare la parete capillare glomerulare, una struttura chiave dell'organo costituita da gruppi di vasi sanguigni che è responsabile del filtraggio del sangue.
Una volta posizionata la membrana, il team ha aggiunto al chip i derivati delle cellule staminali pluripotenti indotte dall’uomo. Hanno osservato che queste cellule erano in grado di inviare segnali attraverso la membrana ultrasottile, che aiutavano le cellule a differenziarsi in cellule glomerulari, podociti e cellule endoteliali vascolari. La piattaforma ha anche innescato lo sviluppo di fenestrazioni endoteliali nel tessuto in crescita, che sono fori che consentono il passaggio del fluido tra gli strati cellulari.
Alla fine del test, questi diversi tipi di cellule renali si erano assemblati in una parete capillare glomerulare e potevano filtrare in modo efficiente le molecole in base alle dimensioni.
«La capacità del nuovo sistema di chip microfluidico di simulare interfacce tessuto-tessuto simili a quelle in vivo e di indurre la formazione di cellule specializzate, come l’endotelio fenestrato e i podociti glomerulari maturi da cellule staminali, ha un potenziale significativo per far avanzare la nostra comprensione dello sviluppo degli organi umani, delle malattie progressione e sviluppo terapeutico», racconta la dottoressa Samira Musah.
Mentre continuano a ottimizzare il loro modello, Musah e colleghi sperano di utilizzare questa tecnologia per comprendere meglio i meccanismi alla base delle malattie renali. Nonostante colpisca più del 15% degli adulti americani, ai ricercatori mancano modelli efficaci per la malattia. Inoltre, ai pazienti spesso non viene diagnosticata la malattia finché i reni non sono stati sostanzialmente danneggiati e spesso devono sottoporsi a dialisi o ricevere un trapianto di rene.
«L’utilizzo di questa piattaforma per sviluppare modelli di malattie renali potrebbe aiutarci a scoprire nuovi biomarcatori della malattia», ha affermato Mou. «Questo potrebbe anche essere utilizzato per aiutarci a individuare i candidati farmaci per diversi modelli di malattie renali. Le possibilità sono davvero entusiasmanti».
«Questa tecnologia ha implicazioni per tutti i modelli organ-on-a-chip», ha affermato Musah. «I nostri tessuti sono costituiti da membrane e interfacce, quindi puoi immaginare di utilizzare questa membrana per migliorare i modelli di altri organi, come il cervello, il fegato e i polmoni, o altri stati patologici. È qui che risiede davvero il potere della nostra piattaforma».
Questo lavoro è stato sostenuto da una borsa di studio Whitehead in ricerca biomedica, dal Chair's Research Award del Dipartimento di Medicina della Duke University, dal MEDx Pilot Grant on Biomechanics in Injury or Injury Repair, dal Burroughs Wellcome Fund PDEP Career Transition Ad Hoc Award, dal Duke Incubation Fund del Duke Innovation & Entrepreneurship Initiative, Genetech Research Award, una borsa di studio pilota per il George M. O'Brien Kidney Center (P30 DK081943), una borsa di studio per nuovi innovatori del direttore dell'NIH (DP2DK138544).
Riferimenti:
(2) Samira Musah
Descrizione foto: Le micrografie elettroniche a scansione mostrano le fibre dettagliate delle membrane SF. - Credit: Xingrui Mou e Samira Musah, Duke University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Silkworms Help Grow Better Organ-Like Tissues in Labs