Organo su chip fornisce informazioni sulla permeabilità intestinale
Un modello in vitro in miniatura, detto organo su chip, ha permesso al progetto IMBIBE di replicare i componenti dell'asse microbioma-intestino-cervello dell'uomo. Il progetto è stato finanziato dal Consiglio europeo della ricerca. Il progetto ha voluto esplorare come una barriera epiteliale intatta, completa di strato di muco, sia essenziale per permettere ai microbi benefici di abitare l'intestino senza scatenare il sistema immunitario dell'ospite. «La nostra soluzione della prova di principio offre una comprensione più approfondita della permeabilità dei tessuti, spesso fraintesa e riportata in modo errato», afferma Róisín Owens, coordinatrice del progetto. Alcuni risultati del progetto sono già stati pubblicati sul sito https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo4761 e il lavoro è stato presentato anche dalla BBC. «I ricercatori vogliono ora utilizzare il nostro modello per studiare problemi davvero urgenti, che vanno dalle infezioni dell'intestino al modo in cui la sclerosi multipla potrebbe avere origine lì», aggiunge Owens, dell'Università di Cambridge, sede del progetto.
L'equilibrio dell'intestino
Durante lo sviluppo del feto umano, nel tratto gastrointestinale si crea una barriera di muco semipermeabile che consente il passaggio di nutrienti e molecole essenziali, limitando al contempo agenti patogeni e tossine. Questa si «chiude» circa quattro mesi dopo la nascita. L'alterazione di questo equilibrio nell'intestino provoca la formazione di una perdita nella barriera, che è stata collegata a disturbi come le malattie infiammatorie intestinali e il disturbo dello spettro autistico (ASD), tutti inizialmente caratterizzati da infiammazione intestinale. Sebbene le prove dimostrino che la presenza di diverse specie microbiche nell'intestino possa attenuare l'infiammazione, mancano gli strumenti per ricercarne il funzionamento. «Sappiamo che i microbi traggono beneficio dai nutrienti intestinali che fermentano, producendo composti benefici per la salute dell'intestino e del cervello. Ma nonostante i dati provenienti da sperimentazioni sull'uomo suggeriscano i benefici dei prodotti bioattivi, si sa ancora poco su quali siano i ceppi batterici migliori o su come i cambiamenti del microbiota intestinale influiscano sul cervello», spiega Owens.
Il dispositivo e-transmembrana
Utilizzando diversi tipi di cellule umane, IMBIBE ha sviluppato un modello organo su chip dell'epitelio intestinale e della neurovasculatura (barriera emato-encefalica) per misurare elettronicamente la permeabilità della barriera tissutale. Sono state costruite impalcature 3D simili a spugne utilizzando polimeri a conduzione liquida in grado di ospitare e monitorare elettricamente le cellule. Le cellule dello stroma sono state seminate nell'impalcatura porosa, con cellule epiteliali o endoteliali stratificate per formare la barriera gastrointestinale, creando un'ulteriore resistenza elettrica durante la differenziazione. La crescita e l'adesione delle cellule all'impalcatura sono state registrate attraverso le variazioni della conduttività del polimero, misurate mediante spettroscopia di impedenza elettrica. «Siamo riusciti a replicare l'ambiente creato dalle cellule che producono muco intestinale, consentendo ai batteri del microbioma di crescere accanto alle cellule umane senza che il contatto diretto scateni un'infiammazione», osserva Owens. La crescita e la differenziazione delle cellule sono state misurate continuamente per circa quattro settimane. «Le analisi biochimiche dei campioni prelevati sopra e sotto le impalcature porose rivelano come i prodotti batterici possano essere trasportati attraverso i tessuti, mentre l'analisi dei dati e la modellazione possono misurare la resistenza della barriera tissutale», spiega Owens. Sono stati condotti anche studi di imaging per convalidare i modelli e fornire ulteriori risorse ai ricercatori.
Verso una medicina personalizzata
I modelli di IMBIBE erano basati su piastre per microtitolazione con inserti sospesi, il che li rende trasferibili ai saggi di trasporto che misurano i composti in grado di attraversare le barriere tissutali e potenzialmente molto utili per la salute del cervello. La piattaforma offre la speranza di una medicina più personalizzata, ad esempio per testare l'efficacia e la sicurezza dei probiotici o dei trapianti di materia fecale, nonché per esplorare il modo in cui la dieta influisce sulla salute dell'intestino e del cervello. L'équipe prevede ora di utilizzare cellule staminali umane, insieme a una maggiore varietà di cellule, e di coltivare più tipi di batteri del microbioma, compresi i campioni provenienti da pazienti affetti da malattie infiammatorie intestinali. «L'unità neurovascolare è stata davvero difficile da sviluppare. Alla fine dovremmo avercela fatta ma serve altro lavoro prima che sia pronta per il laboratorio», aggiunge Owens.
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