Al Centro Cardiologico Monzino si lavora su cuori in miniatura, ottenuti da cellule dei pazienti, per indagare la cardiotossicità dei farmaci e predire la risposta individuale ai trattamenti
Fino a qualche anno fa la sola idea di disporre di un modello cellulare personalizzato in grado di anticipare la risposta ai farmaci di un singolo paziente sarebbe sembrata pura fantascienza. O, per meglio dire, era il sogno di chi ha seguito per lungo tempo le ricerche sulle malattie cardiovascolari, fra cui la cardiomiopatia aritmogena caratterizzata da un incrementato rischio di morte improvvisa. Oggi quel sogno è la realtà in cui operano persone come le dottoresse Elena Sommariva e Rosaria Santoro, dell’Unità dedicata alle Cardiomiopatie Ereditarie presso l’IRCCS Centro Cardiologico Monzino di Milano, che nei loro studi sulle patologie cardiache possono avvalersi di ORGANoro, una piattaforma cellulare basata sull’impiego degli organoidi cardiaci.
CARDIOMIOPATIE EREDITARIE: SERVONO MODELLI CELLULARI ATTENDIBILI
Sebbene relativamente infrequenti (fino a 5 casi su mille nati vivi nel caso dell’aritmogena e molti meno per le altre patologie di questo gruppo) le cardiomiopatie ereditarie sono collegate a specifiche mutazioni che possono innalzare il rischio di morte improvvisa. “Da alcuni anni il nostro laboratorio si è focalizzato sullo studio delle cardiomiopatie ereditarie”, afferma la dott.ssa Sommariva, leader del gruppo di biologi e scienziati del Monzino. “In modo particolare stiamo conducendo progetti di ricerca sulla cardiomiopatia aritmogena del ventricolo destro, sulle cardiomiopatie dilatative e sulla cardiomiopatia secondaria alla distrofia di Duchenne. Il nostro obiettivo è comprendere i meccanismi patogenetici di tali malattie per trovare bersagli specifici da colpire con vari approcci terapeutici”. Ciò comprende sia strategie di drug repurposing, vale a dire l’utilizzo di molecole già approvate e commercializzate per altre indicazioni, sia la messa a punto di terapie mirate, come la terapia genica.
“Nell’ambito della modellizzazione delle cardiomiopatie sfruttiamo principalmente le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) ottenute a partire da campioni bioptici o prelievi ematici dei pazienti che afferiscono al nostro centro”, prosegue Sommariva. “Da queste cellule siamo in grado di sviluppare modelli di malattia classici (2D) oppure possiamo sviluppare modelli cellulari tridimensionali di diverso tipo, come sottili strisce di tessuto cardiaco ingegnerizzato, o i cosiddetti organoidi - che sono la porta d’accesso a una forma di medicina personalizzata sulle esigenze del paziente”.
PARAMETRI GEOMETRICI E MECCANICI PER CREARE UN ORGANOIDE IDEALE
L’idea di progettare un organoide basato sulle cellule del paziente nasce dal desiderio di ottenere un modello in vitro quanto più possibile rappresentativo delle patologie da studiare. “Non sempre i modelli bidimensionali riescono a catturare la complessità della struttura tridimensionale del tessuto cardiaco”, puntualizza la dott.ssa Santoro. “Al contempo i modelli tridimensionali sono scarsamente riproducibili, costosi e si concentrano sulla modellizzazione di alcune caratteristiche specifiche. Il nostro obiettivo era di generare un modello quanto più possibile standardizzato, semplice, dai costi contenuti, che tenesse conto di alcune caratteristiche biologiche e geometriche del cuore importanti per descriverne il comportamento. Per fare questo abbiamo usato le iPSC, guidandole tramite lo sfruttamento di alcuni parametri geometrici, meccanici e chimici”.
Le iPSC possono essere ottenute a partire da cellule somatiche (da un semplice prelievo ematico), mantenendo il patrimonio genetico del paziente di partenza, e possono essere spinte a differenziarsi nei vari tipi cellulari da cui è formato l’organismo. “Per realizzare un modello attendibile di un cuore avevamo bisogno di tutti i sottotipi cellulari tipici di un sistema complesso e ben organizzato”, afferma Santoro. “Abbiamo deciso di utilizzare le iPSC per sviluppare modelli di malattia, ma anche per ricreare delle versioni di cuore sano, grazie alle quali studiare i meccanismi fisiologici che regolano il funzionamento di quest’organo”.
Gli organoidi, infatti, sono composti da diversi tipi cellulari e dotati di un’organizzazione geometrica e spaziale ben definita. “Questi organoidi riproducono alcuni elementi della funzionalità cardiaca (vale a dire la contrattilità), ma anche della sua geometria, per esempio con la presenza di due camere interne e di uno strato esterno (epicardio) che circonda le cellule”, spiega Santoro, prima autrice di una pubblicazione su Materials Today Bio in cui è illustrata la realizzazione di questo modello innovativo, ottenuto sfruttando parametri geometrici e meccanici del microambiente.
“Abbiamo seminato su una piattaforma ad hoc le iPSC, supportando la loro capacità di differenziarsi nei vari tipi cellulari e di organizzarsi in una struttura complessa, guidandoli in questo percorso sfruttando il confinamento geometrico e le proprietà meccaniche del substrato”, prosegue la ricercatrice del Monzino. “Così facendo siamo stati in grado di far crescere un’elevatissima quantità di organdi, tutti identici, in una piastra da coltura con pozzetti di pochi centimetri di diametro”. Così coltivati in condizioni strettamente controllate, gli organoidi derivati dalle iPSC sono cresciuti formando piccole sfere di mezzo millimetro di diametro, ma con un strutture tridimensionali molto riproducibili, con un buon grado di maturità (sviluppando giunzioni cellulari che hanno permesso un’organizzazione del tessuto) e di funzionalità (un’attività contrattile spontanea e che risponde a trattamenti farmacologici).
ORGANoro: UNA PIATTAFORMA CELLULARE STRUMENTO PER STUDIARE LA CARDIOTOSSICITÀ E LA RISPOSTA AI FARMACI
La piattaforma ORGANoro si è dunque rilevata pronta per una vasta gamma di applicazioni sperimentali. “Questi organoidi presentano un elevato tasso di riproducibilità e sono ideali per esperimenti che testino la risposta funzionale ai trattamenti”, precisa Santoro. “Ad esempio, possono essere usati per la valutazione della cardiotossicità di un farmaco”. Infatti, l’impatto di un nuovo farmaco sui cardiomiociti è un’informazione indispensabile per la sua approvazione da parte degli enti regolatori, ma spesso servono studi in Real World per ottenere dati attendibili e ciò significa che il farmaco in questione ha già varcato le porte della clinica.
“Il nostro modello potrà fornire indicazioni precise e in anticipo sugli effetti di cardiotossicità di farmaci fra cui gli anti-tumorali che vengono forniti ai pazienti oncologici, prevenendo eventuali complicazioni cardiache gravi”, continua Santoro. “Inoltre, questi organoidi possono fungere da modello per comprendere e spiegare la patogenesi di malattie come la cardiomiopatia aritmogena, responsabile di aritmie o arresti cardiaci improvvisi; ci aiuteranno nei programmi di drug screening volti a testare se un farmaco funzioni più o meno bene di un altro su una categoria di pazienti o, addirittura, su un singolo paziente”. Ciò implica di poter stratificare meglio i pazienti e decidere a quale trattamento specifico sono singolarmente responsivi nell’ottica di una medicina sempre più personalizzata: in questo modo sulla base delle caratteristiche del singolo individuo si potrà scegliere tra due farmaci validi quello più adatto a contrastare una data patologia.
Non solo, perché grazie ad ORGANoro i ricercatori potranno essere in grado di migliorare sensibilmente i trial clinici: l’utilizzo di un modello complesso potrebbe permettere di ricavare indicazioni preziose per la definizione di una casistica di studio composta da individui con un profilo ben stabilito da cui trarre risposte sempre più precise sull’efficacia di nuovi trattamenti. “Ciò risulta di particolare importanza negli studi clinici sulle malattie rare per cui è spesso difficoltoso recuperare una numerosità campionaria sufficiente” afferma Sommariva. Ad esempio, nell’ambito di un progetto finanziato dal PNRR, questa piattaforma si sta rivelando utile al Centro Cardiologico Monzino per perfezionare studi sulla cardiomiopatia aritmogena, una malattia rara in cui l’effetto delle mutazioni di alcuni geni desmosomiali (PKP2 o DSC2), indispensabili per la creazione delle giunzioni cellulari e per il corretto funzionamento dei meccanici di adesione tra i tessuti, causa gravi danni al muscolo scheletrico, con gravissime conseguenze, tra cui la morte improvvisa”. In questo progetto ORGANoro sta permettendo di studiare la risposta, anche personalizzata, ai farmaci in uso e in corso di sviluppo.
“Strumenti biologici innovativi come ORGANoro, concepiti ab origine a fini di ricerca, stanno acquisendo una rilevanza che va oltre il laboratorio, per giocare un ruolo chiave nella filiera dello sviluppo dei farmaci e delle terapie personalizzate”, dichiara Giulio Pompilio, Direttore Scientifico del Monzino e Presidente del Comitato Scientifico di Osservatorio Terapie Avanzate. “Di là dall’utilizzazione per scopi di medicina di precisione (per esempio studiare l’efficacia e la tossicità di farmaci sul cuore del singolo paziente), è interessante evidenziare che le agenzie regolatorie, a cominciare da EMA e FDA, stanno promuovendo lo sviluppo di questi strumenti per standardizzare nuovi approcci metodologici che possano, almeno parzialmente, sostituire gli esperimenti animali, generando preliminari evidenze di efficacia. ORGANoro ha le potenzialità per essere sviluppato in tutte le suddette direzioni.”
PROSPETTIVE FUTURE: RENDERE IL MODELLO FRUIBILE
“Con ORGANoro abbiamo messo a punto un modello complesso, personalizzato e al contempo altamente riproducibile che offre una concreta strategia di sviluppo di modelli cardiaci tridimensionali avanzati”, dichiara Santoro. “Perciò stiamo avviando collaborazioni con altri gruppi impegnati nella ricerca sulle cardiomiopatie, per sviluppare protocolli utili nel prossimo futuro per l’industria farmaceutica e le CRO che si occupano di sviluppare modelli preclinici in vitro. Tutto questo per fare in modo che ORGANoro esca dal laboratorio e possa trovare uno sbocco nella clinica. Auspichiamo che i vantaggi dal suo utilizzo sia come modello preclinico che negli approcci di medicina personalizzata si traducano in un deciso impatto economico e sociale”.
