Sostanze radioattive combattono il cancro nel mini-laboratorio

I radiofarmaci vengono utilizzati quando chemioterapia, chirurgia o radioterapia si sono dimostrate inefficaci contro un tumore. I sistemi microfisiologici emulano il microambiente del corpo e rappresentano una piattaforma facile da usare per la coltivazione di modelli tumorali 3D. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

Un team di progetto di HZDR e Fraunhofer IWS sta studiando come utilizzare i cosiddetti sistemi microfisiologici per ridurre i test sugli animali, attualmente necessari prima dell'applicazione umana. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS / Un team di progetto di HZDR e Fraunhofer IWS sta studiando come utilizzare i cosiddetti sistemi microfisiologici per ridurre i test sugli animali, attualmente necessari prima dell'applicazione umana. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

I primi test con i multi-organi hanno mostrato risultati positivi. La binding di sostanze conosciute agli sfere tumorali ha già funzionato. È previsto di ampliare ulteriormente il sistema microfisiologico aggiungendo un modello di rene e un organoide di fegato. © Amac Garbe/Fraunhofer IWS

Legame di [68Ga]Ga-C225 (2 nM) nei moduli MPS su A431 (A, B) e MDA-MB435S (C, D); (B) mostra il legame non specifico su A431, (D) su MDA-MB435S (0,8 μM C225); in basso: diagrammi di saggi di saturazione su monostrato di A431 nei chip MPS con [64Cu]Cu-C225 (E) e [68Ga]Ga-C225 (F) (simboli blu scuro, grigi, verdi: legame totale, non specifico, specifico). © HZDR/Fraunhofer IWS

La radioattività può salvare vite umane. Quando chemioterapia, chirurgia o radioterapia esterna non aiutano contro un tumore, nella medicina moderna vengono utilizzati i cosiddetti radiofarmaci. Questi medicinali radioattivi non solo individuano le cellule tumorali, ma consentono anche di irradiare il tumore dall'interno, combattendolo. Tuttavia, prima che tali sostanze possano essere applicate negli esseri umani, durante il loro sviluppo sono ancora necessari ampi test su animali. Un progetto congiunto dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia dei materiali e delle radiazioni IWS di Dresda e del Centro Helmholtz di Dresda-Rossendorf (HZDR) sta attualmente studiando un metodo alternativo. La base di questo metodo sono strutture di organi artificiali e tumori in formato chip.

Nel 2021, in Germania, secondo le informazioni del Ministero federale dell'alimentazione e dell'agricoltura, sono stati utilizzati complessivamente 1,86 milioni di vertebrati e cefalopodi a scopo di ricerca. Rispetto all'anno precedente, sono circa due percento in meno, ma sono comunque ancora molti. In laboratori tedeschi vengono principalmente usati topi, pesci e ratti. »Molti compiti di ricerca possono attualmente essere risolti solo con l'aiuto di tali test su animali«, spiega la Dott.ssa Wiebke Sihver, dell'unità di radionuclidi-theragnostica del HZDR. Per questo motivo, è di fondamentale importanza cercare alternative. »Inoltre, nel modello animale spesso mancano riferimenti importanti all'organismo umano.«

Nel suo lavoro, Wiebke Sihver e i suoi colleghi del HZDR si occupano dello sviluppo e dell'applicazione di sostanze radiomarcate per la diagnosi del cancro e, in particolare, anche per la terapia. Questi radioligandi sono dotati di un nucleide radioattivo (radionuclide) e si legano a una molecola bersaglio, nel caso del cancro, a strutture specifiche del tumore. In questo modo, il radiofarmaco agisce direttamente sul tumore. I tessuti sani circostanti vengono preservati. Durante lo sviluppo dei radiofarmaci, devono essere testati anche in modelli animali come topi e ratti, dopo la caratterizzazione in vitro. Già alcuni anni fa, Wiebke Sihver cercava un sostituto per i numerosi test su animali nella ricerca radiofarmaceutica. Durante la sua ricerca di sistemi alternativi, è rapidamente arrivata al Fraunhofer IWS. Qui, da alcuni anni, un team studia sistemi microfisiologici che, con mini-organoidi umani coltivati, imitano il funzionamento dell'organismo umano – grazie all'uso di cellule umane, ad esempio, più vicini al tumore umano rispetto ai test su animali. Questo è stato il punto di partenza per una nuova idea.

Sviluppo con grande potenziale

Da oltre dieci anni, i ricercatori del Fraunhofer IWS si occupano dei mini-laboratori. Con questi sistemi microfisiologici, in formato di una scatola di compresse, è possibile rappresentare artificialmente funzioni di organo o processi patologici utilizzando colture cellulari. Valvole e canali simulano il sistema vascolare, una piccola pompa rappresenta il battito cardiaco. I sistemi microfisiologici sono realizzati con fogli di plastica sovrapposti. In questi vengono tagliati con laser vasi sanguigni e camere. In moduli appositi, gli utenti successivamente coltivano cellule che possono sopravvivere fino a un mese nei micro-sistemi. Nel mini-laboratorio, intanto, il sangue circola sotto forma di mezzo di coltura, che fornisce ossigeno e nutrienti alle cellule. Qualche anno fa, in questo contesto, era possibile rappresentare solo due organi. Oggi, sono già quattro, che possono essere simulati contemporaneamente su questi innovativi multiorgano-chip.

Quando il team dell'HZDR si è rivolto al Fraunhofer IWS, gli esperti hanno riconosciuto molto rapidamente il potenziale per una nuova applicazione. »Nel sviluppo di radiofarmaci, i multiorgano-chip non sono stati ancora utilizzati, quindi c'è un grande bisogno«, spiega il responsabile del gruppo Florian Schmieder, che segue da molti anni la ricerca Lab-on-Chip al Fraunhofer IWS. Insieme, entrambi gli istituti hanno fatto domanda con successo per un progetto di finanziamento del Ministero federale dell'istruzione e della ricerca su »Metodi alternativi ai test sugli animali«. Il progetto è ancora in corso fino al 2024. Sono già stati ottenuti i primi risultati promettenti.

Ridurre il numero di test sugli animali

L'obiettivo della ricerca congiunta è posizionare modelli di tumore 3D su un chip, che successivamente semplifichi e renda più economici i test sui radiofarmaci. La prima sfida è stata quella di creare un aggregato cellulare tridimensionale a partire da una coltura bidimensionale – uno sferoide che può imitare il tessuto tumorale. »Con questo, possiamo integrare le caratteristiche del micro-tumore nel nostro sistema«, spiega l'ingegnere di sviluppo Stephan Behrens del Fraunhofer IWS. In futuro, questa rappresentazione sul chip dovrebbe diventare sempre più dettagliata, ad esempio attraverso l'uso di cellule specifiche del paziente o per determinare proteine caratterizzanti appena scoperte in diversi tipi di cellule tumorali, che possono essere rilevate radiofarmacologicamente.

I primi test di Wiebke Sihver e del suo team con i multiorgano-chip hanno già mostrato risultati positivi. Sono stati inizialmente utilizzati sostanze note, le cui proprietà possono essere osservate bene sul chip. »Abbiamo visto che il legame con lo sferoide tumorale funziona già«, racconta. È previsto anche di rappresentare sui chip un modello di rene e un organoide epatico. In particolare, i reni sono considerati limitanti per la dose e giocano quindi un ruolo importante nella ricerca radiofarmaceutica. »In parole semplici, se il radioligando si attacca, può causare danni ai reni, ma anche alle cellule epatiche«, spiega la scienziata. Eseguire test di queste sostanze con colture cellulari su un chip rappresenta quindi una promettente alternativa. Se i test del progetto continueranno con esiti positivi, sarà possibile anche testare in futuro radioligandi sconosciuti nei sistemi. »Questo permette di ridurre un gran numero di test sugli animali«, afferma Sihver. Anche se con questa ricerca non si può ancora eliminare completamente i test sugli animali, gli scienziati lavorano per ridurne il numero.

Florian Schmieder vede con questa innovazione molti vantaggi futuri per i pazienti. »Potremmo portare cellule specifiche del paziente su un chip e simulare così lo sviluppo di una malattia tumorale.« In questo modo, terapie personalizzate potrebbero essere realizzate su misura. »Il cancro, inoltre, esprime antigeni tumorali specifici che non sono rappresentabili nei modelli animali.« Anche questi potrebbero essere simulati sui chip.

La stretta collaborazione tra i due istituti di ricerca rappresenta un esempio impressionante del valore aggiunto della alleanza scientifica DRESDEN-concept, in cui si sono uniti 36 partner per promuovere il polo di ricerca di Dresda e creare e sfruttare sinergie nella ricerca, nell'insegnamento, nelle infrastrutture e nell'amministrazione.