Nuova opportunità per la terapia del cancro: il laboratorio in miniatura permette di ottenere approfondimenti sulla formazione delle metastasi

Insieme, i ricercatori del Fraunhofer ITEM, del Fraunhofer IWS e dell'Università di Regensburg stanno studiando la metastatizzazione delle cellule tumorali in sistemi microfisiologici. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS / Ricercatori del Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IWS e dell'Università di Regensburg stanno indagando congiuntamente la crescita delle cellule tumorali in sistemi microfisiologici. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Da diversi anni, il Fraunhofer IWS sviluppa sistemi microfisiologici delle dimensioni di una confezione di compresse. Ora è possibile coltivare fino a dieci sezioni di tessuto su un singolo chip. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Per scoprire come si sviluppano e si diffondono le cellule tumorali nel corpo, i partner di ricerca vogliono simulare le condizioni ambientali nei microsistemi ancora più efficacemente in futuro. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Oltre al cancro, altre malattie, come la fibrosi, possono essere esaminate anche su sezioni di tessuto in sistemi microfisiologici. Scienziati del Fraunhofer IWS e del Fraunhofer ITEM stanno lavorando insieme su questo nel progetto FIBROPATHS. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Ogni anno in Germania circa mezzo milione di persone si ammalano di cancro. Nonostante l'esistenza di opzioni terapeutiche efficaci per molte tipologie di tumore, molte domande sullo sviluppo della malattia rimangono senza risposta. Perché si forma un tumore? Quali fattori favoriscono la crescita delle cellule tumorali? Perché le metastasi si diffondono nel tempo ad altri organi? I modelli animali finora utilizzati rappresentano solo in modo limitato i processi reali nel corpo umano. Il Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS di Dresda, in collaborazione con il Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM di Hannover e l'Università di Regensburg, ha sviluppato sistemi microelettronici speciali. In questi sistemi analizzano ora sezioni di tessuto di tumori in condizioni realistiche.

I sistemi fisiologici in miniatura, delle dimensioni di una scatola di compresse, sono sviluppati con successo dal Fraunhofer IWS già da diversi anni. Permettono di rappresentare artificialmente le funzioni degli organi o i processi patologici tramite colture cellulari, di studiare malattie al di fuori dell'organismo, cioè ex vivo, e di testare farmaci. «Per questo, sovrapponiamo diversi strati di pellicola di plastica», spiega Stephan Behrens, ingegnere di sviluppo presso il Fraunhofer IWS. Per prima cosa vengono utilizzati laser per strutturare questi strati. Si creano canali e camere, pompe e valvole. In questo modo vengono modellati alcuni processi del corpo umano. Nei sistemi fisiologici in miniatura circola una sostanza liquida simile al sangue, che fornisce ossigeno e nutrienti alle cellule. Una nuova sfida in un progetto interdisciplinare è stata quella di studiare la metastasi dei tumori all’interno di questi sistemi.

Con questa esigenza, il Prof. Christoph Klein, docente di Medicina Sperimentale e Terapie presso l’Università di Regensburg e responsabile del settore di Terapia Personalizzata dei Tumori al Fraunhofer ITEM, si è rivolto al Fraunhofer IWS. Insieme all’Università di Erlangen-Nürnberg, la Deutsche Forschungsgemeinschaft ha approvato nel 2020 un progetto di ricerca speciale per i ricercatori di Regensburg. L’obiettivo è scoprire come le metastasi colonizzano esattamente gli organi.

Interazione tra tumore e sistema immunitario su un chip

«Per poter studiare questo, era importante per noi integrare nel nostro sistema fisiologico in miniatura diverse sezioni di tessuto tumorale», afferma Florian Schmieder, responsabile del gruppo al Fraunhofer IWS. Per la prima volta al mondo, ciò è stato possibile in questo progetto. Ora si possono coltivare fino a dieci sezioni di tessuto contemporaneamente su un chip. Il team del Fraunhofer IWS ha inoltre realizzato aperture attraverso le quali è possibile prelevare campioni per analisi in qualsiasi momento. «Inoltre, è possibile misurare continuamente parametri importanti come il contenuto di CO2, il pH o la concentrazione di ossigeno», prosegue Schmieder. «I sensori utilizzati misurano direttamente nel sistema fisiologico in miniatura e possono essere riutilizzati per ulteriori studi.»

Il know-how sui tessuti è stato fornito dagli esperti dell’ITEM del Fraunhofer. Per questo, vengono utilizzate sezioni molto sottili di tessuto polmonare, spiega il Prof. Armin Braun, responsabile del settore di Farmacologia Clinica e Tossicologia presso l’ITEM del Fraunhofer. «Durante un intervento su un paziente con un tumore ai polmoni, vengono prelevati non solo il tumore stesso, ma anche tessuto sano.» Un vibratome dotato di una lama oscillante produce da questi campioni sottilissime sezioni di circa 350 micrometri di spessore e circa un centimetro di diametro. Queste sono ancora ben nutrite. Applicate sul chip, le sezioni di tessuto rimangono vitali e funzionali nel sistema fisiologico in miniatura per un periodo prolungato. «In questo modo possiamo osservare l’interazione del sistema immunitario umano con il tumore», aggiunge Braun. Tutte le cellule immunitarie rilevanti sono già presenti nel campione. «In questo modo siamo molto vicini al sistema reale, molto più di quanto sarebbe possibile con modelli animali.»

Sistemi anche per lo studio di altre malattie

Come si sviluppa esattamente il cancro e come si diffonde nel corpo? Un punto importante è che il metabolismo del tumore differisce da quello dei tessuti normali. «Per i medici è importante poter studiare quali condizioni in un organo attirano le metastasi», spiega Florian Schmieder. Le alte concentrazioni di ossigeno e il pH sono determinanti. I ricercatori del Fraunhofer IWS vogliono impostare in modo ancora più efficace queste condizioni ambientali nei sistemi microelettronici in futuro. «Finora, ad esempio, possiamo modificare il livello di ossigeno in tutto il sistema», spiega. La sfida ora è quella di consentire diverse concentrazioni di ossigeno su un singolo chip, per osservare la reazione delle cellule tumorali e delle metastasi a tali variazioni.

Sarebbe ideale poter combinare più tipi di tessuto di un paziente. «Tali campioni sono però molto rari nella realtà», afferma Schmieder. È comunque possibile integrare nel sistema campioni di sangue e tessuto dello stesso paziente. In combinazione con i vari sensori, ciò crea un valore aggiunto finora irraggiungibile con altri metodi. La tecnologia può così essere impiegata come valida alternativa ai tradizionali test sugli animali. Tuttavia, al momento, la ricerca non può ancora rinunciare completamente ai modelli animali.

Parallelamente, il team di 15 persone del Fraunhofer IWS lavora anche a progetti che testano l’uso di sezioni di tessuto per altre malattie. Un esempio è la fibrosi. In questo caso, si verifica una risposta alterata del sistema immunitario che porta a un indurimento patologico del tessuto e alla perdita parziale delle funzioni. Questi processi riducono la funzionalità di tessuti e organi. «Stiamo lavorando nel progetto interno FIBROPATHS del Fraunhofer su questa problematica», dice Schmieder. È necessario capire quali sistemi specifici ogni tessuto richiede in un mini-laboratorio per poterlo coltivare più a lungo.

Nuove terapie possibili per i pazienti oncologici

I risultati finora ottenuti nello studio della crescita tumorale e della formazione di metastasi con sistemi fisiologici in miniatura sono positivi, secondo il Prof. Christoph Klein. «Se vogliamo studiare le malattie, questa è una possibilità molto interessante che ci si presenta», afferma il medico. «Comprendere approfonditamente la metastasi è la chiave per nuove terapie che possano prevenire la formazione di metastasi nel corpo dei pazienti oncologici.»

Florian Schmieder vede nel sistema un grande potenziale per il futuro: «I nostri sistemi diventeranno sempre più modulari». In futuro, vari componenti potranno essere combinati in modo nuovo per rispondere alle più diverse domande scientifiche.