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Integrated Tissue Slice Culture and NMR Metabolomics – A Novel Approach Towards Systemic Understanding of Liver Function And Disease

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Una nuova piattaforma lab-on-a-chip per studiare il metabolismo tissutale in situ

I sistemi lab-on-a-chip miniaturizzati evitano numerose problematiche di natura etica legate alla sperimentazione animale. Un team di scienziati europei ha integrato l’analisi a risonanza magnetica per consentire la caratterizzazione metabolica dei tessuti con finalità di svolgimento di test sui farmaci.

Salute

I tessuti contengono una vasta gamma di diverse tipologie cellulari in una struttura altamente organizzata per svolgere le proprie funzioni. La comprensione dei processi che regolano l’interazione delle cellule a livello di tessuto non è raggiungibile mediante lo studio di singole cellule in vitro. Al contempo, i tre principi di sostituzione, riduzione e perfezionamento in relazione alla sperimentazione animale richiedono un quadro alternativo per condurre le ricerche.

Una combinazione di tecnologie organ-on-chip e RMN

Il progetto TISuMR, finanziato dall’UE, ha generato una nuova piattaforma tecnologica che consente la caratterizzazione biochimica diretta dei tessuti coltivati in dispositivi microfluidici in vitro. Tale soluzione offre un metodo potente per effettuare la modellizzazione di organi interi, con applicazioni nei campi della diagnostica e della ricerca biomedica. Il contesto multidisciplinare del team di TISuMR è stato fondamentale per combinare con successo la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (RMN) con la coltura di sezioni di tessuto in un laboratorio su un chip miniaturizzato. La spettroscopia RMN è una tecnica spettroscopica ad alta risoluzione non invasiva che consente di caratterizzare un campione a livello molecolare. Data la sua natura non invasiva, essa si rivela ideale per l’osservazione dei processi metabolici, biologici e chimici dei sistemi viventi. «Il nostro obiettivo era quello di superare le limitazioni alla sensibilità della spettroscopia RMN e di combinarla con il nostro sistema di coltura microfluidica per l’osservazione del metabolismo tissutale», spiega Marcel Utz, coordinatore del progetto e docente presso l’Università di Southampton.

Sfide e applicazioni

Per effettuare la spettroscopia RMN è necessario collocare il campione in un campo magnetico molto grande, che deve avere la stessa intensità lungo l’interezza dello stesso. La combinazione di questa necessità con le condizioni rigorose richieste per il mantenimento della salute dei tessuti al di fuori del corpo durante un esteso periodo di tempo ha posto sfide tecniche di notevole entità. I ricercatori le hanno risolte con una progettazione originale che sfrutta gli spettrometri di risonanza magnetica ad alte prestazioni esistenti, disponibili in numerosi laboratori in contesti accademici e industriali. «La nostra piattaforma va ben oltre ciò che era possibile in passato, offrendo un livello di dettaglio e precisione sul metabolismo tissutale mai raggiunto in precedenza», sottolinea Utz. La piattaforma di TISuMR è stata utilizzata con successo per esplorare la colestasi, un fenomeno associato all’ostruzione del flusso biliare, che si presenta spesso come effetto collaterale provocato da numerosi farmaci importanti, impedendone un impiego efficace. Il sistema di TISuMR ha fornito informazioni cruciali sui cambiamenti nel metabolismo epatico causati dalla colestasi, offrendo importanti indizi utili alla progettazione di nuovi farmaci candidati che evitano questo effetto collaterale.

Prospettive future della tecnologia di TISuMR

L’impatto più significativo esercitato dal nuovo approccio sperimentale di TISuMR è la generazione di dati abbondanti sulla biochomica del tessuto, senza alcuna interferenza. Questo beneficio può essere applicato in altri tessuti, come ad esempio il polmone, il cuore e i reni. Mediante l’impiego di tecniche di iperpolarizzazione, potrebbe essere possibile far progredire ulteriormente i segnali RMN e ottenere informazioni ancor più dettagliate. «Ci aspettiamo che la tecnologia sviluppata nell’ambito del progetto TISuMR sarà applicabile in numerosi settori, come per esempio lo sviluppo dei farmaci e la ricerca sul cancro», conclude Utz. I partner continuano a lavorare per rendere la tecnologia disponibile attraverso altre aziende spin-off, quali Voxalytic GmbH in Germania e microVita nel Regno Unito. Un’ulteriore ottimizzazione della tecnologia la adatterà alle esigenze degli utenti. Parallelamente a questi sforzi di commercializzazione, i partner intendono incrementare ulteriormente le capacità della tecnologia di TISuMR, ad esempio integrando informazioni sulla fisiologia del tessuto o ampliando le applicazioni alla biologia tumorale.

Parole chiave

TISuMR, spettroscopia RMN, microfluidico, metabolismo tissutale, sezione di tessuto, farmaco, lab-on-a-chip, colestasi, iperpolarizzazione, risonanza magnetica nucleare

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