Il bioreattore sviluppato dall’Università di Pisa riproduce la peristalsi e mantiene vitali le cellule per almeno 28 giorni. La tecnologia potrà migliorare lo studio delle malattie intestinali e la sperimentazione dei farmaci
Un intestino artificiale umano capace non soltanto di ospitare cellule vive, ma anche di riprodurre i movimenti dell’organo reale. È il risultato ottenuto da un gruppo internazionale di ricercatori coordinato dall’Università di Pisa.
Il nuovo dispositivo simula la peristalsi, cioè l’insieme delle contrazioni ritmiche che fanno avanzare il contenuto lungo il tratto intestinale. Questa stimolazione meccanica induce le cellule a organizzarsi spontaneamente in strutture tridimensionali simili ai villi intestinali.
La ricerca, pubblicata sulla rivista scientifica Results in Engineering, apre nuove prospettive per lo studio delle malattie gastrointestinali, la valutazione dei farmaci e la progressiva riduzione della sperimentazione animale. Lo studio è intitolato A millifluidic human gut model with peristalsis orchestrates villus morphogenesis. La pubblicazione
Un modello più vicino all’intestino umano
I modelli cellulari tradizionali consentono di studiare alcuni aspetti della barriera intestinale, ma spesso non riescono a riprodurre la complessità fisica e biologica dell’organo.
L’intestino, infatti, non è una struttura immobile. Le sue cellule sono continuamente sottoposte a pressioni, deformazioni, flussi e contrazioni. Queste sollecitazioni influenzano la crescita, l’organizzazione e il funzionamento dei tessuti.
Il nuovo bioreattore millifluidico ricrea proprio questa componente dinamica. Le cellule intestinali vengono coltivate in un ambiente controllato e sottoposte a stimoli meccanici simili a quelli prodotti dalla peristalsi. Il sistema ha mantenuto la vitalità cellulare per almeno 28 giorni, permettendo di osservare l’evoluzione del tessuto nel tempo.
La peristalsi favorisce la formazione dei villi
Uno dei risultati più significativi riguarda la formazione di strutture tridimensionali simili ai villi intestinali. I villi sono le piccole estroflessioni che rivestono l’intestino tenue e ne aumentano enormemente la superficie disponibile per l’assorbimento delle sostanze nutritive.
Nel bioreattore, la stimolazione meccanica ha favorito l’auto-organizzazione delle cellule. Questo risultato dimostra che il movimento non rappresenta un elemento secondario, ma contribuisce direttamente alla maturazione e all’architettura del tessuto.
«Il nostro obiettivo era superare i limiti dei modelli oggi disponibili, che riproducono solo in parte l’ambiente intestinale», spiega Giovanni Vozzi, professore ordinario di Bioingegneria presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e il Centro di ricerca “E. Piaggio” dell’Università di Pisa.
«Abbiamo dimostrato che il movimento meccanico dell’intestino non è un semplice dettaglio fisiologico, ma un fattore essenziale per guidare lo sviluppo di un tessuto più realistico».
I ricercatori coinvolti nello studio
Il lavoro scientifico è firmato da Costanza Daddi, Sushila Maharjan, Sergio Ricardo Aluotto Scalzo Junior, Sofía Noé Anaya, Lorenzo Falugiani, Ximena Hernandez Machain, Anderson Oliveira Lobo, Gabriele Maria Fortunato, Carmelo De Maria, Yu Shrike Zhang e Giovanni Vozzi. L’elenco completo degli autori è riportato nell’archivio della ricerca dell’Università di Pisa.
La ricerca nasce dalla collaborazione tra il gruppo di biofabbricazione coordinato da Giovanni Vozzi e il gruppo di Yu Shrike Zhang, docente e ricercatore presso il Brigham and Women’s Hospital e la Harvard Medical School di Boston.
Il dispositivo è stato sviluppato nell’ambito di un progetto di dottorato e del progetto MICRO-B, finanziato attraverso il Bando per Dimostratori Tecnologici 2022 dell’Università di Pisa.
Alla fase di brevettazione ha collaborato anche il gruppo coordinato da Emilia Ghelardi, docente del Dipartimento di Ricerca Traslazionale e delle Nuove Tecnologie in Medicina e Chirurgia dell’Ateneo pisano.
Un bioreattore modulare e dai costi contenuti
Rispetto ad altri sistemi oggi disponibili, il bioreattore presenta alcuni vantaggi importanti. La sua architettura è modulare, i costi di realizzazione sono relativamente contenuti e le sollecitazioni esercitate sulla parete intestinale vengono riprodotte in modo fisiologicamente realistico.
La modularità permetterà inoltre di collegare il dispositivo ad altri modelli biologici. In questo modo sarà possibile studiare non soltanto il comportamento isolato dell’intestino, ma anche le sue interazioni con differenti organi, tessuti e comunità microbiche.
Il sistema potrebbe essere impiegato per analizzare l’integrità della barriera intestinale, i processi infiammatori, l’assorbimento dei principi attivi e le reazioni delle cellule a farmaci, alimenti o agenti patogeni.
Verso una riduzione della sperimentazione animale
Un modello intestinale umano più realistico può diventare uno strumento importante nella ricerca preclinica. Prima che una nuova molecola arrivi agli studi clinici, infatti, è necessario valutarne l’efficacia, la tossicità e il comportamento nell’organismo.
I modelli animali continuano ad avere un ruolo nella ricerca biomedica, ma non sempre riproducono fedelmente le risposte dell’organismo umano. Le differenze tra specie possono limitare la capacità di prevedere l’assorbimento di un farmaco o la sua eventuale tossicità.
Il nuovo intestino artificiale non elimina immediatamente la necessità degli studi sugli animali. Tuttavia, potrebbe ridurne progressivamente il numero, migliorando la selezione preliminare dei farmaci e fornendo dati ottenuti direttamente da cellule umane.
«Disporre di modelli che imitano fedelmente il comportamento dell’intestino umano significa poter studiare con maggiore precisione le malattie, valutare l’efficacia di nuovi farmaci e ridurre progressivamente il ricorso alla sperimentazione animale», sottolinea Vozzi.
Il collegamento con il microbiota intestinale
Una delle prospettive più interessanti riguarda l’integrazione del bioreattore con un modello del microbiota intestinale già sviluppato dai ricercatori pisani.
Il microbiota è formato dall’insieme di microrganismi che popolano l’intestino e svolge un ruolo fondamentale nella digestione, nella regolazione del sistema immunitario e nella produzione di molecole capaci di influenzare organi anche molto distanti.
Collegare il tessuto intestinale artificiale a una comunità microbica controllata consentirebbe di osservare in laboratorio le interazioni tra batteri e cellule umane. Il sistema potrebbe aiutare a comprendere meglio le alterazioni della barriera intestinale, le malattie infiammatorie e gli effetti di farmaci, probiotici e alimentazione.
Dall’intestino artificiale ai sistemi multi-organo
Il progetto guarda già oltre la riproduzione del singolo organo. Il prossimo obiettivo sarà collegare il modello intestinale ad altri tessuti per ricostruire l’asse microbiota-intestino-cuore-cervello.
Questa rete di comunicazione biologica è considerata sempre più importante nello sviluppo di patologie cardiovascolari, metaboliche e neurodegenerative. Le molecole prodotte dal microbiota possono infatti attraversare la barriera intestinale, entrare nella circolazione sanguigna e influenzare il cuore, il sistema immunitario e il cervello.
La nuova linea di ricerca coinvolge Giovanni Vozzi ed Emilia Ghelardi insieme alle professoresse Vittoria Raffa e Arianna Tavanti dell’Università di Pisa e a Federico Vozzi dell’Istituto di Fisiologia Clinica del Consiglio nazionale delle ricerche.
La possibilità di collegare più modelli biologici potrebbe portare alla realizzazione di piattaforme “multi-organ-on-chip”, capaci di osservare contemporaneamente le reazioni di differenti tessuti. Un passo importante verso una sperimentazione biomedica più precisa, sostenibile e maggiormente rappresentativa della fisiologia umana.
