Bioreattori e tecnologie criogeniche per migliori test di efficacia con colture cellulari umane

Crioconservazione senza ghiaccio (vitrificazione) di sistemi cellulari aderenti nel formato multiwell dell'«R2U-Tox-Assay». © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Diversi sistemi di bioreattori per la coltivazione di cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) su microcarriers. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Vari sistemi di bioreattori per la coltivazione di cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) su microcarriers. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Screening farmacologico e tossicologico in vitro su cellule neurali. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Screening farmacologico e tossicologico in vitro che coinvolge cellule neuronali. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Numerose nuove sviluppi di principi attivi medicinali falliscono perché, nonostante test di laboratorio con colture cellulari abbiano successo, si verificano effetti collaterali gravi nei soggetti di prova. Questo può accadere, ad esempio, quando le cellule utilizzate provengono da tessuti animali. In particolare, colture cellulari preparate da tessuti umani, chiamate cellule hiPS, consentono test più affidabili e aumentano così le probabilità di successo nel procedimento di approvazione. Ricercatori Fraunhofer hanno sviluppato soluzioni innovative per la produzione ottimizzata di cellule nel bioreattore e tecniche criogeniche uniche. Ciò apre la strada a un impiego efficiente e pratico delle colture cellulari nei test di tossicità e di principi attivi.

Quando negli studi farmaceutici si verificano effetti collaterali gravi nei soggetti di prova durante i test di nuovi principi attivi, i ricercatori si trovano di fronte a un dilemma. Spesso, lo sviluppo di un principio attivo promettente deve essere interrotto e il farmaco pianificato non viene immesso sul mercato. Una causa del problema è che i principi attivi vengono generalmente testati con modelli di coltura cellulare in vitro basati su cellule animali o tramite test sugli animali. In entrambi i casi, i risultati dei test possono essere trasferiti solo in modo limitato all’uomo. Di conseguenza, esiste il rischio che nei soggetti di prova si verifichino improvvisamente effetti collaterali intollerabili.

La ricerca medica ripone grandi speranze nelle cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPS). Queste cellule derivano da tessuti umani e consentono di fare affermazioni molto più precise sul meccanismo di azione delle sostanze rispetto ai test convenzionali. Le cellule vengono inizialmente prelevate dal tessuto cutaneo umano o da un campione di sangue e sottoposte in laboratorio a una procedura di riprogrammazione speciale. Successivamente, non sono più vincolate a un tessuto specifico, da cui il termine cellule staminali pluripotenti. Per i test di principio attivo, le cellule hiPS possono essere quindi differenziate in quasi tutti i tipi di cellule del corpo umano. Il rischio che si verifichino effetti collaterali indesiderati in successivi test clinici con esseri umani si riduce notevolmente.

Bioreattore per la produzione di cellule su larga scala

Le cellule necessarie per i test vengono prodotte nei bioreattori. Un team di ricercatori guidato dalla Dott.ssa Julia Neubauer, responsabile del reparto di tecnologie criogeniche e di cellule staminali presso l’Istituto Fraunhofer per la Tecnologia Biomedica IBMT, ha ora raggiunto un progresso decisivo nella moltiplicazione e differenziazione delle cellule hiPS nel bioreattore. «Ora è possibile, per la prima volta, scalare il processo in modo tale che in breve tempo si possano ottenere grandi quantità di cellule funzionali», afferma Neubauer.

La sfida per i ricercatori Fraunhofer nel progetto congiunto «R2U-Tox-Assay» è stata scoprire come riprodurre nel bioreattore le condizioni ambientali naturali del corpo umano, in modo che le cellule si moltiplichino rapidamente senza perdere le loro funzioni. «Per il bioreattore abbiamo sviluppato e prodotto autonomamente un idrogel elastico come supporto. Le cellule si sentono particolarmente a loro agio su di esso e si moltiplicano bene. Con i parametri scelti, siamo in grado di produrre quantità rilevanti per i test medici, fino a diverse miliardi di cellule», spiega Neubauer.

Con i modelli cellulari così ottenuti, che possono essere differenziati in tessuti come cuore, pelle o cellule nervose, è possibile allestire i saggi per la sperimentazione e la verifica della tossicità di principi attivi medici. Un ulteriore vantaggio: poiché le cellule hiPS sono cellule umane che contengono ancora le informazioni genomiche del donatore, è possibile anche predisporre test per malattie di origine genetica con nuovi principi attivi.

Raffreddamento rapido nel serbatoio criogenico

Un altro problema per la ricerca farmaceutica o le cliniche universitarie è tuttavia lo stoccaggio e la disponibilità delle colture cellulari. Qui i ricercatori Fraunhofer hanno sfruttato la loro decennale esperienza nella crioconservazione delle cellule.

La crioconservazione presso l’IBMT Fraunhofer è unica al mondo. I modelli cellulari cresciuti nel bioreattore vengono raffreddati con azoto liquido in due secondi, da circa +23 a -196 °C. I ricercatori Fraunhofer hanno inoltre sviluppato una piastra di coltura cellulare speciale, in cui le cellule vengono inizialmente coltivate e successivamente congelate. In combinazione con il rapido processo di raffreddamento, speciali mezzi di congelamento evitano la formazione di cristalli di ghiaccio nel tessuto cellulare. Questi cristalli danneggerebbero il materiale e lo trasformeremmo in una massa informe. «Conosciamo tutti l’effetto sgradevole di aver messo delle fragole nel congelatore», scherza Neubauer.

Per descrivere la procedura corretta, l’esperta Neubauer e il suo team hanno elaborato un dettagliato protocollo criogenico. Questo stabilisce parametri come la velocità di raffreddamento e i tempi di esposizione ai mezzi di congelamento per le cellule da conservare. Il protocollo garantisce che le colture cellulari umane sensibili, dopo l’estrazione dal contenitore criogenico e il successivo scongelamento, siano pienamente funzionali. In queste piastre di coltura standardizzate, le colture cellulari sono quasi illimitatamente stoccabili e trasportabili per gli screening ad alta produttività della ricerca farmaceutica. Le cliniche e i laboratori farmaceutici possono conservare colture cellulari e disporre di cellule adatte in qualsiasi momento per test di tossicità e di principi attivi.

Migliori test di principio attivo per nuovi farmaci

Con i concetti avanzati per il bioreattore e il contenitore criogenico, si apre la strada a un impiego efficiente e pratico delle cellule hiPS nella ricerca medica. I tradizionali test in vitro con cellule animali e i problematici test sugli animali vengono sostituiti da sistemi di test molto più precisi. «In generale, le innovazioni di »R2U-Tox-Assay« consentono uno sviluppo più efficiente e sicuro di principi attivi medici per il trattamento di numerose patologie, tra cui malattie cardiache e oculari o anche deficit neurologici come la demenza», promette Neubauer.

Nel progetto congiunto, recentemente concluso con successo, hanno partecipato oltre all’IBMT Fraunhofer anche l’azienda Janssen Pharmaceutica N.V. e l’Istituto di Bioingegneria della Catalogna. Il progetto è stato finanziato nell’ambito della grande iniziativa UE EIT Health.