Il progetto “HCA|Organoid” realizzerà un atlante degli organoidi umani per la ricerca biomedica e la medicina rigenerativa. Servirà anche a perfezionare i protocolli per la loro derivazione
La versione iniziale del primo “Organoid Cell Atlas” sarà disponibile già nei prossimi due anni. Si tratta di un catalogo open access degli organoidi umani, le repliche in miniatura degli organi realizzate in laboratorio. Il progetto, finanziato dal programma europeo Horizon 2020 e descritto su Nature Biotechnology lo scorso dicembre, nasce all’interno dello “Human Cell Atlas (HCA)”, una collaborazione internazionale che dal 2016 crea mappe di riferimento complete di tutte le cellule umane. L’atlante fornirà gli strumenti per validare e migliorare i modelli cellulari a tre dimensioni come base per la ricerca biomedica, la diagnosi e il trattamento, e permetterà di confrontare gli organoidi con i tessuti primari di riferimento.
ORGANOIDI, MODELLI A TRE DIMENSIONI
Gli organoidi rappresentano uno dei modelli cellulari più futuristici per la ricerca biomedica. Sono formati dalle stesse cellule che compongono i tessuti umani e assumono una precisa conformazione tridimensionale che li fa assomigliare a organi in miniatura. Si ottengono in laboratorio a partire dalle cellule staminali adulte (già parzialmente differenziate) o dalle cellule staminali pluripotenti (che possono differenziarsi in qualunque tipo di cellula). Al contrario delle colture cellulari classiche su due dimensioni, gli organoidi riproducono anche l’architettura degli organi e dei tessuti umani originali, l’apporto di nutrienti e ossigeno e la rimozione degli scarti. Permettono quindi di studiare i passaggi più importanti del processo di organogenesi e reagiscono agli stimoli e alla somministrazione dei farmaci in maniera simile agli organi veri. Per queste ragioni, l’uso degli organoidi è complementare – ma non sostitutivo – alla sperimentazione animale.
Il loro contributo alla ricerca è prezioso: sono modelli per lo studio degli organi umani e della biologia dello sviluppo in condizioni fisiologiche e patologiche, delle modalità con cui si manifesta una malattia specifica e della variabilità interindividuale. Gli organoidi sono anche uno strumento per la medicina di precisione e la messa a punto di terapie mirate, come ad esempio le terapie avanzate, possono essere formati dalle cellule staminali prelevate dai pazienti e funzionare da “avatar” – modelli in vitro per testare i farmaci prima della somministrazione. Il loro uso spazia dalle malattie oncologiche a quelle genetiche rare (ad esempio la fibrosi cistica) o multifattoriali (ad esempio l’epilessia), dalla medicina rigenerativa ai trapianti.
SUPERARE GLI OSTACOLI
Nonostante le loro già numerose applicazioni, i protocolli per la derivazione degli organoidi hanno ancora dei limiti. Anche i modelli più fedeli, infatti, non raggiungono la complessità di un organismo intero – benché siano in fase di sperimentazione sistemi basati su biochip miniaturizzati (i cosiddetti organ-on-chip, ne abbiamo parlato qui e qui) per collegare tra loro più organoidi e ricreare versioni in miniatura del corpo umano. Spesso, tuttavia, nei modelli mancano dei tipi cellulari che sono invece presenti nell’organo o tessuto originali, come le cellule immunitarie, quelle che formano i vasi sanguigni o persino – nel caso di pelle e intestino – il microbiota. Un ostacolo all’espansione degli organoidi è anche la scarsità di protocolli validati per derivare i modelli e testare la loro qualità, a partire dalle singole cellule che li compongono e dal loro processo di differenziamento.
L’ATLANTE DEGLI ORGANOIDI
Il progetto per realizzare un “Organoid Cell Atlas” nasce con lo scopo di superare le carenze che ancora esistono nei processi di derivazione e caratterizzazione degli organoidi. Il programma europeo Horizon 2020 ha recentemente finanziato il progetto “HCA|Organoid“, una nuova pietra miliare dello Human Cell Atlas lanciato 5 anni fa per creare mappe di riferimento di tutte le cellule del corpo umano, della loro posizione e dei geni che esprimono. Cristoph Bock – ricercatore leader al CeMM Research Center for Molecular Medicine della Austrian Academy of Sciences, insieme ai colleghi delle università di Austria, Svizzera, Paesi Bassi e Regno Unito – ha descritto il progetto in una lettera all’editore pubblicata il mese scorso sulla rivista Nature Biotechnology.
L’atlante degli organoidi fornirà gli strumenti necessari per creare protocolli migliorati e validare quelli esistenti. Per raggiungere lo scopo, verranno usate tecniche sofisticate, come il “profiling” spaziale e il sequenziamento a singola cellula. Il primo permetterà di caratterizzare gli organoidi dal punto di vista della struttura tridimensionale, ossia come le cellule si dispongono lungo i tre assi dello spazio e come interagiscono tra loro. Il sequenziamento a singola cellula, invece, fotograferà la composizione cellulare e i geni espressi da ciascuna cellula dell’organoide. I ricercatori saranno così in grado di monitorare ogni minima perturbazione del sistema in risposta a un farmaco o al silenziamento di uno o più geni.
L’HCA, inoltre, dispone già di un ampio database con i dati dei tessuti e organi umani primari, mappati cellula per cellula. Il sequenziamento a singola cellula permetterà di mettere in relazione ciascuna cellula dell’organoide con la sua controparte nel tessuto originale, contribuendo alla validazione e al controllo della qualità degli organoidi. I modelli, infatti, potranno essere confrontati con i tessuti umani corrispondenti cellula per cellula e inseriti in un contesto biologico realistico.
PRIMI PASSI E PROSPETTIVE FUTURE
La versione iniziale dell’atlante sarà disponibile entro i prossimi due anni. I primi organoidi che entreranno a far parte dell’ “Organoid Cell Atlas” sono quelli di intestino e cervello. Sono stati tra i primi a essere realizzati, ed è già disponibile un discreto numero di protocolli. Si ottengono rispettivamente dalle cellule staminali adulte e da quelle pluripotenti, che sono le due principali fonti di derivazione per gli organoidi. L’obiettivo, comunque, è quello di estendere il progetto anche agli altri mini-organi. Gli strumenti messi in campo dai ricercatori, infatti, sono compatibili con tutti i tipi di organoidi e rispettano gli standard di qualità e riproducibilità. I dati generati in questo progetto saranno aperti a tutti, liberamente consultabili su un portale open access: l’Organoid Cell Atlas Portal.
La missione dell’ “Organoid Cell Atlas”, scrivono i ricercatori, è quella di superare gli ostacoli che fino ad ora non hanno permesso di usare gli organoidi al massimo del loro potenziale. Il progetto darà un grosso contributo alla ricerca biomedica e alla medicina rigenerativa e di precisione.