Le malattie autoimmuni sono malattie umane con un background genetico complesso e una presentazione clinica variabile, la cui fisiopatologia non è ancora compresa. L’autoimmunità è un errore che l’organismo fa nel riconoscere come estranee delle cellule che invece sono sue; la conseguenza è la produzione di auto-anticorpi con danni ai tessuti e agli organi. Ogni cellula del nostro corpo può essere aggredita da auto-anticorpi e i diversi nomi delle malattie autoimmuni dipendono da quale organo o tessuto sia stato colpito.
I trattamenti attualmente approvati per le malattie autoimmuni sono per lo più sintomatici, per esempio sostituire la funzione dell’organo danneggiato, come il trattamento insulinico nel caso del diabete autoimmune, o sono basati su farmaci che interferiscono con un generico “step” nella risposta immunitaria, come nell’infiammazione o l’attivazione dei linfociti. Questi trattamenti non permettono, però, di colpire in maniera specifica la causa principale della malattia e sono associati ad effetti collaterali sistemici, per esempio un maggiore rischio di infezioni.
Finora, le malattie autoimmuni sono prevalentemente state studiate utilizzando una varietà di saggi in vitro e modelli animali. I test cellulari in vitro sono basati sull’utilizzo di colture cellulari, le quali però non potendo rappresentare la malattia “in toto”, possono contribuire solo in misura molto limitata alla comprensione di essa [C. Giese and U. Marx, Human immunity in vitro – solving immunogenicity and more, Adv. Drug Delivery Rev., 2014, 69–70, 103–122]. D’altra parte, l’utilizzo di modelli animali per lo studio di malattie autoimmuni non è soddisfacente per diversi motivi: il sistema immunitario animale, specialmente in roditori, ha un funzionamento diverso dal sistema immunitario umano; le malattie autoimmuni sono tipicamente malattie degli anziani mentre la durata della vita dei roditori è molto più breve; infine lo sviluppo di malattie autoimmuni è influenzato da complessi genetici alla base tra le tante variazioni genetiche che determinano la performance del sistema immunitario dell’individuo. Questo inevitabilmente porta alla conclusione che i modelli animali, pur essendo stati molto utili in passato, non sono adatti a sviluppare nuovi e mirati trattamenti per le malattie autoimmuni umane.
Per sviluppare una terapia mirata più efficace ai fini di un trattamento personalizzato, la comprensione della fisiopatologia umana è fondamentale. Se la popolazione di studio fosse abbastanza grande e la malattia ben definita, attuali approcci GWAS (genome-wide association study) potrebbero essere mezzi potenti nell’individuazione di tutti, o quasi tutti, i geni di diversi individui di una particolare specie per determinare le variazioni geniche tra gli individui in esame, per poi associare le differenze osservate con alcuni tratti particolari, ad esempio una malattia [P.M. Visscher, M.A. Brown, M.I. McCarthy and J. Yang, Five years of GWAS discovery, Am. J. Hum. Genet., 2012, 90(1), 7– 24].
Recentemente è stato proposto un cambiamento per lo studio di malattie umane per consentire una migliore comprensione delle malattie , che comprenda l’incorporazione intelligente delle risorse genetiche umane (GWAS) e le informazioni di fisiopatologia umana in modelli di biologia. Questo approccio mira a trovare un collegamento tra gli esiti della malattia e i “percorsi della malattia” [G.R. Langley, Considering a new paradigm for Alzheimer’s disease research, Drug Discovery Today, 2014, 19(8), 1114– 1124].
Per avere successo, un tale approccio richiede la disponibilità di rappresentazioni in vitro basate su colture cellulari umane di modelli di malattia, che possono essere sperimentalmente utilizzate in maniera ripetibile e riproducibile per rispondere alle domande sulla patogenesi e fisiopatologia della malattia.
Utilizzando l’esempio di anticorpi anti-citoplasma dei neutrofili (spesso chiamati ANCA, dall’inglese anti-neutrophil cytoplasmic antibodies della vasculite autoimmune, è stato presentato il concetto di costruire in vitro un “organo-on-chip” come modello di malattia umana, costituito da tessuto vascolare organo-specifico coltivato in interazione con importanti componenti del sistema immunitario (ad esempio linfonodali e del tessuto del timo). Questo approccio in vitro si avvale di progressi nelle tecnologie di ingegneria e di cellule staminali umane, consentendo alle linee di cellule staminali pluripotenti provenienti da pazienti, la differenziazione in tipi di cellule necessarie, e l’incorporazione in “microfluidic-chip” basati su sistemi di coltura in modo da imitare in condizioni ottimale la malattia in vivo.
Nel concetto organo-on-chip le cellule vengono coltivate all’interno di una cosiddetta”Chip”, più piccola di un vetrino da microscopio [A. Van de Stolpe and J. Den Toonder, Workshop meeting report Organs-on-Chips: human disease models, Lab Chip, 2013, 13, 3449–3470 – A.D. van der Meer and A. van den Berg, Organs-on-chips: breaking the in vitro impasse, Integr. Biol., 2012, 4(5), 461– 470- D. Huh, H.J. Kim, J.P. Fraser, D.E. Shea, M. Khan, A. Bahinski, G.A. Hamilton and D.E. Ingber, Microfabrication of human organs-on-chips, Nat. Protoc., 2013, 8(11), 2135–2157]. Il “chip” può contenere uno o piccoli scomparti cultura più aperti o chiusi (di un formato variabile) o piccoli canali, in cui le cellule può essere seminate e coltivate , sia in maniera bidimensionale (2D) o tridimensionale (3D).
Gli scomparti della cultura possono essere collegati da canali microfluidici, mentre membrane microporose possono essere utilizzati per separare due compartimenti adiacenti cultura, consentendo la migrazione di cellule attraverso i pori. Per attivazione del fluido attraverso il sistema, i canali microfluidici nel chip possono essere collegati ad un sistema di pompaggio esterno. Il continuo “rinfresco” della cultura ha il vantaggio che la coltura cellulare può rimanere valida per periodi molto più lunghi rispetto alla coltura cellulare convenzionale. Diversi organi umani e tipi di tessuto sono già stati coltivati in un formato organo-on-chip, ad esempio polmone, intestino, reni, fegato, i neuroni, e i vasi sanguigni [F. Sonntag, N. Schilling, K. Mader, M. Gruchow, U. Klotzbach, G. Lindner, R. Horland, I. Wagner, R. Lauster, S. Howitz, S. Hoffmann and U. Marx, Design and prototyping of a chip-based multi-micro-organoid culture system for substance testing, predictive to human (substance) exposure, J. Biotechnol., 2010, 148(1), 70–75].
Per creare un modello in vitro di malattia come “paziente-on-a-chip”, i diversi tipi cellulari che compongono il modello, comprese le cellule del sistema immunitario, in linea di principio dovrebbero avere lo stesso background genetico e lo stato HLA. La recente disponibilità di cellule staminali umane, sia staminali pluripotenti indotte (IPS) e staminali adulte, grazie alla loro rapida differenziazione in diversi tipi di cellule, rende questo possibile [K. Takahashi, K. Tanabe, M. Ohnuki, M. Narita, T. Ichisaka, K. Tomoda and S. Yamanaka, Induction of pluripotent stem cells from adult human broblasts by dened factors, Cell, 2007, 131(5), 861–872 – C. Mummery, A. Van de Stolpe, H. Clevers and B. A. J. Roelen, Stem Cells. Scientic Facts and Fiction, USA, Elsevier, 2014, ISBN 978-0-12-381535].
L’approccio alla modellazione computazionale è stato introdotto come strumento complementare e prezioso per generare un’immagine integrale e meccanicistica della malattia. La combinazione di questi sviluppi multidisciplinari promette innovazioni per quanto riguarda la comprensione delle malattie autoimmuni e lo sviluppo di farmaci mirati, andando a ridurre sempre più l’uso di modelli animali. (Sara Tirendi)
