La cavia di silicio

A prima vista, il chip di Michael Shuler potrebbe passare per qualsiasi piccola lastra di silicio estratta da un computer o un telefono cellulare. Il che lo fa sembrare ancora più fuori posto su un banco nel laboratorio del ricercatore della Cornell University, circondato da piastre di Petri, bicchieri e altro materiale biologico e montato in un vassoio di plastica come un topo sezionato. Il chip sembra essere su una sorta di supporto vitale, con un fluido rosato che lo pompa attraverso dei tubi. Shuler indica metodicamente i componenti del chip con una matita: ecco il fegato, i polmoni sono quaggiù, questo è grasso. Quindi inietta un farmaco sperimentale nel sangue finto che scorre attraverso questi organi e tessuti, in realtà minuscoli labirinti di tubi attorcigliati e camere rivestite di cellule viventi. Il composto reagirà con altre sostanze chimiche, si accumulerà in alcuni organi e passerà rapidamente attraverso altri. Dopo diverse ore, Shuler e il suo team saranno più vicini a rispondere a una domanda chiave: è probabile che il composto, se somministrato a un vero essere umano, faccia più male che bene?

Questo cosiddetto animale su un chip è stato progettato per aiutare a superare un enorme ostacolo alla scoperta di nuovi farmaci: attualmente non esiste un modo rapido e affidabile per prevedere se un composto sperimentale avrà effetti collaterali tossici, se farà ammalare le persone invece di produrre loro bene. I test sugli animali sono il meglio che i produttori di farmaci possano fare, ma sono lenti, costosi, spesso imprecisi e discutibili per molti. Per ridurre al minimo il numero di test sugli animali, le aziende farmaceutiche selezionano regolarmente i candidati ai farmaci utilizzando colture cellulari, essenzialmente gruppi di cellule viventi umane o animali che crescono in capsule di Petri o provette. L'approccio è relativamente economico e facile, ma fornisce solo una vaga previsione di ciò che accadrà a un composto nel viaggio tortuoso attraverso i tessuti e gli organi di un animale.

Questa storia faceva parte del nostro numero di giugno 2004

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Shuler è tra i pochi ricercatori che stanno sviluppando colture cellulari più sofisticate che simulano i complessi organi e tessuti del corpo. L'ingegnere dei tessuti del MIT Linda Griffith, per esempio, ha costruito un chip che imita alcune delle funzioni di un fegato, mentre Shuichi Takayama, un ingegnere biomedico dell'Università del Michigan, ne ha costruito uno che imita il comportamento del sistema vascolare (vedi Altri sforzi di Animal-on-a-Chip, sotto). Ma mentre tali sforzi hanno prodotto convincenti analoghi di parti di corpi umani o animali, Shuler ha fatto un ulteriore passo avanti. Lavorando con il collega Greg Baxter, che ha lanciato Hurel con sede a Beverly Hills, in California, per commercializzare la tecnologia, Shuler ha combinato repliche di più organi animali su un singolo chip, creando una controfigura approssimativa per un intero mammifero. Altre versioni dei chip di Shuler tentano di andare ancora oltre, utilizzando cellule umane per riprodurre più fedelmente gli effetti di un composto nel corpo.

Le compagnie farmaceutiche sono interessate, e non c'è da meravigliarsi: producono regolarmente migliaia, anche decine di migliaia, di composti nella speranza di trovarne uno che sia efficace contro un particolare obiettivo. Chip come Shuler e Baxter potrebbero significare un modo economico, veloce e accurato per eliminare i composti che alla fine si sarebbero rivelati tossici, risparmiando alle aziende anni e milioni di dollari nello sviluppo di farmaci senza valore. Secondo un recente studio del Center for the Study of Drug Development della Tufts University, per ogni farmaco che raggiunge il mercato, l'industria farmaceutica spende in media 467 milioni di dollari in test sugli esseri umani: la stragrande maggioranza dei soldi va a farmaci che falliscono, sia perché non sono efficaci o perché si rivelano tossici. Se si potessero identificare più fallimenti prima ancora che iniziassero i test sugli animali, le aziende potrebbero concentrare più tempo e denaro sui vincitori. Tutti nel settore sperano di avere surrogati per animali e umani quando si tratta di testare i composti, afferma Jack Reynolds, capo delle scienze della sicurezza per Pfizer, la più grande azienda farmaceutica del mondo. Questo è il tipo di tecnologia che vorremmo nella nostra cassetta degli attrezzi.

ALTRI SFORZI ANIMALI SU UN CHIP
Capo progetto	Gruppo	Tecnologia
Dawn Applegate	RegeneMed (San Diego, California)	Chip rivestiti con tessuto epatico umano per lo screening dei farmaci
Linda Griffith	CON (Cambridge, MA)	Fegato su un chip per lo screening dei farmaci
Paul Kosnik	Genesi dei tessuti (Honolulu, HI)	Chip con cellule vascolari e legamentose per lo sviluppo della sostituzione dei tessuti
Shuichi Takayama	Università del Michigan (Ann Arbor, MI)	Chip di coltura cellulare con canali che imitano il sistema vascolare
William Wang	Pharmacom (Iowa City, IA)	Chip per lo screening dei farmaci che includeranno cellule del cervello e di altri organi

Pillole di veleno

Gli strumenti degli sviluppatori di farmaci sono già pieni di una serie di semplici test su colture cellulari volti a prevedere rapidamente quali potenziali farmaci avranno effetti collaterali tossici. Il problema con questi test è che sono spesso pure semplice. Uno scenario tipico: i ricercatori spruzzano una soluzione contenente un farmaco sperimentale in piastre di Petri dove le cellule vive raccolte dai polmoni di un topo galleggiano in un brodo ricco di sostanze nutritive. Se le cellule muoiono, i ricercatori analizzano il composto e ne provano un altro; se le cellule sopravvivono, iniziano il lungo e costoso processo di test del composto su topi, ratti e altri animali. Ma l'incapacità del composto di uccidere le cellule polmonari offre poche garanzie che non farà ammalare le persone.

Quando una persona assume un farmaco, il suo principio attivo fa una corsa sfrenata per raggiungere le cellule bersaglio: potrebbe essere assorbito dall'intestino, scomposto dagli enzimi nel fegato, accumulato per settimane dalle cellule adipose, schermato dal cervello membrana, e vorticato attraverso l'intero calvario più e più volte dal sangue. Quando ciò accade, un composto altrimenti innocuo può accumularsi in un particolare organo fino a raggiungere livelli tossici. Oppure può essere trasformato in un composto completamente diverso, che di per sé è tossico. Reynolds di Pfizer stima che, dei farmaci candidati che finiscono per rivelarsi non sicuri, circa il 40% acquisisce la propria tossicità dopo essere stato convertito in altri composti nel corpo.

Uno dei motivi per cui i test di coltura cellulare convenzionali spesso fuorviano i ricercatori è che non presentano la complessa miscela di enzimi e altre sostanze chimiche che un farmaco può incontrare e con cui reagire nei vari tessuti del corpo. E le semplici colture cellulari non rivelano quanto di un farmaco arriva effettivamente a diversi tipi di cellule, in quale forma e per quanto tempo. In effetti, quasi la metà dei farmaci che sembrano sicuri nei test su colture cellulari si rivelano tossici nei test sugli animali; e ancora di più falliscono quando incontrano i complessi tessuti e organi degli umani. I ricercatori sperano, tuttavia, che le colture cellulari che simulano meglio le condizioni del corpo svolgano un lavoro molto migliore nell'individuare i farmaci tossici, riducendo la dipendenza dai test sugli animali e sull'uomo. Il Santo Graal del settore è essere in grado di prevedere la tossicità da una coltura cellulare, afferma Peter Lord, capo della tossicologia meccanicistica nello sviluppo preclinico presso Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development.

Piccolo impianto idraulico

Michael Shuler è un professore di ingegneria chimica di 57 anni, allampanato, che ha coltivato un interesse secondario per i processi biologici sin dalla scuola media. Nel 1989 si era interessato ai test di tossicità e stava riflettendo sull'inaffidabilità delle colture cellulari convenzionali quando gli venne un'idea: potresti fare una coltura cellulare che replichi il viaggio attraverso i vari organi? Lo riconobbe come un problema di ingegneria chimica: le camere di vetro rivestite con diversi tipi di cellule e collegate tramite tubi l'una all'altra e a una pompa che inviava fluido attraverso di esse simulerebbero in modo molto più realistico un corpo e i test che le impiegano potrebbero prevedere cosa succede negli animali viventi in modo molto più accurato.

Dopo diversi mesi, Shuler e gli studenti avevano costruito un conglomerato da banco di cellule e tubature fornendo un modello di lavoro grezzo di un insieme di organi di mammiferi. In un certo senso funzionava, ma Shuler sapeva che c'era un grosso problema con la sua fedeltà: quasi tutta la chimica del corpo ha luogo in tessuti pieni di minuscoli canali e camere, dove le reazioni critiche dipendono dalla capacità di varie sostanze chimiche di concentrarsi in alcuni luoghi e diffusi in altri, dipendenti in parte dalla geografia microscopica. Mescolare tutto in grandi bicchieri distorcerebbe quel delicato equilibrio. Inoltre, a queste dimensioni il sistema non sarebbe pratico o abbastanza economico per test su larga scala.

Nel frattempo, il biologo molecolare Greg Baxter si era appena unito al Nanobiotechnology Center di Cornell come ricercatore. La sua specialità era la microfluidica, essenzialmente un impianto idraulico microscopico su un chip. Il secondo giorno ha messo un bottone a Shuler nel suo laboratorio, chiedendosi se avesse qualche progetto che potesse trarre beneficio dall'ultraminiaturizzazione. Strano che dovresti chiederlo, disse Shuler.

Ci sono voluti solo due incontri per elaborare il progetto di base del chip e un anno per produrre il primo prototipo. Per costruire uno dei dispositivi, i ricercatori hanno scavato minuscole trincee che sembrano graffi deboli in un chip di silicio delle dimensioni di una miniatura; queste trincee fungono da tubi per il trasporto di fluidi. La produzione di caratteristiche microfluidiche su chip per testare reazioni chimiche e imitare processi biologici non è una novità. Ma combinando le loro abilità nell'ingegneria chimica e nella microfabbricazione, Shuler e Baxter aggiungono una svolta significativa: hanno progettato le dimensioni, le lunghezze e la disposizione di tutte le trincee nel tentativo di duplicare da vicino i flussi di fluido e le esposizioni chimiche che le cellule sperimentano in organi reali.

Le trincee fungono da vasi sanguigni surrogati, trasportando sostanze chimiche all'interno e tra gli organi sostitutivi del chip, che sono a loro volta composti da trincee che sono strettamente a spirale o serpeggiati in densi grumi larghi circa mezzo centimetro. Migliaia di cellule viventi sono fissate al pavimento delle fosse di ciascun organo. Una pompa esterna delle dimensioni di un mattone fa circolare un fluido ricco di sostanze nutritive, un sostituto del sangue, attraverso il chip. Quando un composto di prova viene aggiunto al fluido, il suo viaggio al silicio è approssimativamente analogo a quello che subirebbe in un mammifero vivo, grazie a 13 anni di giocherellare con le dimensioni, il modello e le interconnessioni di ciascun organo e con le dimensioni e le forme del varie trincee. Volevamo che l'ambiente delle cellule fosse il più realistico possibile, dalla fornitura di nutrienti e la rimozione dei prodotti di scarto alle sollecitazioni meccaniche che subisce, afferma Shuler.

Dopo che un composto di prova è circolato attraverso il chip per diverse ore, le cellule nel chip vengono monitorate, con un microscopio o tramite sensori incorporati che possono testare l'ossigeno e altri indicatori. Le cellule assorbono il composto? Li fa ammalare o li uccide? Come in un vero animale, ogni organo o tessuto svolge un ruolo specifico nel chip. Il fegato e l'intestino scompongono alcuni composti in molecole più piccole, ad esempio, mentre il grasso inceppato non solo con le cellule, ma anche con un gel spugnoso, spesso trattiene i composti, permettendo loro di fuoriuscire in seguito. Un organo o tessuto bersaglio è solitamente incluso per dimostrare gli effetti finali del composto; questo potrebbe essere un tumore o un tessuto particolarmente vulnerabile, come il polmone o il midollo osseo.

I chip, ovviamente, dovranno essere ampiamente testati prima che le aziende farmaceutiche li utilizzino ampiamente. Tuttavia, i primi segnali sono incoraggianti. Shuler ha condotto un esperimento con il naftalene, un composto utilizzato in naftalina e pesticidi. L'eccessiva esposizione provoca danni ai polmoni, ma non lo sapresti dai test di coltura cellulare standard. Questo perché il colpevole non è il naftalene stesso, ma piuttosto due sostanze chimiche prodotte dal fegato quando scompone il naftalene. Se lo sapessi e spruzzassi quei sottoprodotti direttamente sulle cellule polmonari in coltura, osserveresti una risposta così grave da concludere che anche una leggera esposizione al naftalene è estremamente pericolosa. Ma anche questo è sbagliato; a quanto pare, le cellule adipose estraggono gran parte dei composti tossici dal sistema. Il chip di Shuler imita in modo convincente questa catena di eventi, fornendo una misura realistica del danno.

Una simulazione così precisa promette di aiutare le aziende farmaceutiche a migliorare lo screening dei candidati ai farmaci e a sprecare meno tempo e denaro per quelli che alla fine falliranno i test sugli animali. Secondo Baxter, i chip sono pronti per un'applicazione del genere in questo momento e sei grandi aziende stanno attualmente discutendo con Hurel sull'adozione della tecnologia. Shuler, aiutato da un team di studenti e collaboratori alla Cornell e altrove, sta lavorando per ridurre ulteriormente e automatizzare la tecnologia. L'obiettivo: una banca di 96 chip delle dimensioni di un foglio di carta che si inserisce in una configurazione di laboratorio robotico che aggiunge molto rapidamente i farmaci di prova e monitora i risultati. Il sistema potrebbe non solo sostituire le colture cellulari convenzionali, ma anche ridurre la dipendenza dagli esperimenti sugli animali, in cui i ricercatori devono utilizzare un gran numero di animali per testare diverse dosi di un farmaco e devono monitorare quegli animali nel tempo per rilevare lievi effetti collaterali. Stiamo parlando di eseguire un test in uno o due giorni che richiederebbe mesi con gli animali, afferma Shuler. Shuler prevede un prezzo di produzione per chip di circa $ 50 completo di celle, rispetto alle centinaia o addirittura migliaia di dollari necessari per acquisire e mantenere un singolo animale da laboratorio.

Tipo di umano

I chip che replicano il funzionamento degli animali saranno probabilmente le prime versioni della tecnologia ad avere un impatto commerciale. Ma la speranza è che, una volta che si dimostreranno di prevedere con precisione i risultati dei test sugli animali, le versioni umane su chip forniranno una buona indicazione di quanto è probabile che un farmaco si dimostri tossico negli studi sull'uomo.

I test sugli animali svolgono questo ruolo ora, ma non molto bene. Quattro farmaci su cinque che superano i test sugli animali finiscono per fallire negli studi clinici sull'uomo, di solito a causa di problemi di sicurezza. Parte del problema è che i topi non possono dirti che hanno mal di testa, visione offuscata o crampi allo stomaco. Ma il problema più grande è semplicemente che gli organi degli animali e i processi che hanno luogo in essi non sono identici a quelli degli umani. Nessuno sa quanti farmaci che sarebbero stati sicuri negli esseri umani sono stati accantonati perché hanno ammalato alcuni animali. (La penicillina, per esempio, è tossica per i porcellini d'India, ma fortunatamente è stata testata anche sui topi.)

I chip contenenti tessuti e organi umani simulati potrebbero anche consentire ai ricercatori di elaborare complicati schemi multifarmaco per il trattamento di varie malattie senza sottoporre i pazienti a angoscianti cicli di tentativi ed errori. Shuler, ad esempio, si sta concentrando sui cocktail antitumorali. Incorpora cellule umane da tumori uterini o del colon nei suoi chip, creando un modello più realistico di un particolare tipo di cancro. Può quindi testare la capacità di varie combinazioni di farmaci chemioterapici di uccidere le cellule senza far ammalare il resto del sistema. Per trovare buone terapie combinate, è necessario eseguire molti test per determinare le giuste dosi e l'ordine in cui vengono somministrati i farmaci, spiega. È il tipo di problema che possiamo aggirare con questa tecnologia.

Né Baxter né Shuler affermano che l'animale su un chip sia una sorta di panacea per il processo di sviluppo della droga complesso e profondamente impegnativo. Per prima cosa, i chip devono ancora dimostrare in test su larga scala che fanno davvero un lavoro migliore rispetto alle colture cellulari convenzionali per prevedere la tossicità. Ma se sono all'altezza, allora le pillole che prendi tra dieci anni potrebbero benissimo arrivare grazie ai sacrifici di un topo da laboratorio di silicio.

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