I ricercatori dell'ETH hanno combinato cellule embrionali e cellule epatiche in un nuovo test di coltura cellulare. Questa combinazione consente loro di rilevare gli effetti avversi che i nuovi farmaci possono avere sugli embrioni nelle prime fasi del processo di sviluppo del farmaco.

I farmaci devono essere sicuri per le future mamme e per i loro bambini non ancora nati. Prima che le autorità approvino un nuovo farmaco, deve essere testato in prove su animali su roditori gravidi e, di regola, conigli in gravidanza. Gli scienziati del dipartimento di scienza e ingegneria dei biosistemi dell'ETH di Zurigo a Basilea hanno ora sviluppato un test che consente loro di esaminare l'embriotossicità di un farmaco nelle colture cellulari anziché negli animali.

Il nuovo test non sostituisce ancora le sperimentazioni sugli animali che sono legalmente richieste come parte del processo di approvazione dei farmaci. Però, poiché la nuova procedura è semplice, veloce, e poco costoso, i ricercatori potranno utilizzarlo in futuro per testare un gran numero di farmaci candidati in una fase iniziale del processo di sviluppo. Le sostanze dannose per gli embrioni verranno quindi rilevate all'inizio del processo di sviluppo del farmaco e non solo negli studi di embriotossicità negli studi sugli animali. Perché sono così costosi, i test sugli animali non vengono condotti fino a molto più avanti nel processo di sviluppo del farmaco con solo potenziali candidati farmacologici accuratamente preselezionati. Poiché il nuovo test elimina in precedenza i candidati ai farmaci che non hanno avuto successo, può aiutare a tagliare i costi e ridurre il numero di esperimenti sugli animali.

Test di coltura cellulare con cellule staminali

La nuova procedura è una forma avanzata del test sulle cellule staminali embrionali, in cui le sostanze sono testate in vitro sui cosiddetti corpi embrioidi. Questi gruppi tridimensionali di cellule sono formati da cellule staminali embrionali – in questo caso, da un topo – e subiscono le prime fasi dello sviluppo embrionale in un periodo di dieci giorni. Da queste cellule non possono essere prodotti embrioni vitali.

Guidato dal professore dell'ETH Andreas Hierlemann, il gruppo di ricerca ha ora ampliato questo test sulle cellule staminali embrionali per includere il tessuto epatico umano. "C'è tutta una serie di sostanze che non sono tossiche nella loro forma originale, ma possono essere trasformati in sostanze avverse dal metabolismo umano, specialmente dal fegato, " spiega Julia Boos, uno studente di dottorato nel gruppo di Hierlemann e autore principale dello studio, che è stato pubblicato sulla rivista Scienze avanzate . A differenza del test convenzionale sulle cellule staminali embrionali, il test di nuova concezione può rilevare sostanze di questa natura.

Corpo su un chip

Dall'inizio alla fine, il nuovo test avviene nella sua interezza su un singolo chip di coltura cellulare, che è dotato di vari scomparti. Gli scomparti contengono sfere di microtessuto, formato da cellule epatiche umane dallo spin-off di ETH InSphero, e corpi embrionali, cresciuto da cellule staminali di topo. I microtessuti epatici e i corpi embrionali hanno un diametro di circa mezzo millimetro e sono collocati in compartimenti differenti, che sono collegati tramite microcanali per garantire un costante scambio di liquido tra i diversi gruppi di cellule.

"Siamo i primi a combinare direttamente il fegato e le cellule embrionali in un approccio body-on-a-chip, " Dice Boos. Proprio come il sistema circolatorio di una donna incinta collega i processi metabolici nel suo fegato con quelli del suo embrione in via di sviluppo, questo sistema connesso garantisce un'interazione costante tra le cellule epatiche e le cellule embrionali. “I metaboliti creati dalle cellule epatiche – compresi i metaboliti che sono stabili solo per pochi minuti – possono così agire direttamente sulle cellule embrionali, " Dice Boos. Spiega che combinare i due in un unico chip presenta un miglioramento rispetto ad altri test in vitro esistenti, che indagano la metabolizzazione delle sostanze nel fegato separatamente dagli effetti che questi metaboliti hanno sulle cellule embrionali.

Boos continua descrivendo un altro vantaggio del nuovo test:"In contrasto con i test su topi gravidi vivi, nella nostra prova, le sostanze vengono metabolizzate dalle cellule epatiche umane – in altre parole, proprio come sarebbero nel corpo umano quando viene somministrato il farmaco." Sottolinea che questo è rilevante, poiché l'uomo e il topo hanno un metabolismo diverso.

Ulteriore sviluppo per test ad alto rendimento

I ricercatori hanno dimostrato l'efficacia del nuovo test con l'aiuto della ciclofosfamide. Questo farmaco chemioterapico non ha praticamente alcun effetto nella sua forma base, ma il fegato lo trasforma in una sostanza tossica per le cellule. Sono stati eseguiti due test con la ciclofosfamide:uno includeva il test del fegato/corpo embrionale di nuova concezione, e gli altri corpi embrioidi coinvolti da soli senza microtessuti epatici. Ciò che questi test hanno rivelato è che una concentrazione quattro volte inferiore di ciclofosfamide era sufficiente per avere un effetto negativo sullo sviluppo dei corpi embrioidi quando il tessuto epatico era presente nello stesso ambiente.

Ora, gli scienziati devono perfezionare ulteriormente il test prima che possa essere applicato nello sviluppo di farmaci. Stanno prestando particolare attenzione ai materiali utilizzati nel test oltre a quanto bene le procedure possono essere automatizzate. L'automazione sarebbe necessaria se l'industria farmaceutica o altri ricercatori fossero in grado di distribuire il test su larga scala per lo screening ad alto rendimento dei candidati farmaci. Inoltre, gli scienziati desiderano sviluppare un test che utilizzi cellule staminali umane riprogrammate (note come cellule iPS) invece di cellule staminali di topo. Quindi avrebbero un test in vitro interamente basato su tessuto umano.