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Organoidi

La ricerca biologica e la modellazione delle malattie ricapitolano la complessità dei tessuti reali

Cosa sono gli organoidi?

Gli organoidi sono microtessuti multicellulari tridimensionali (3D) derivati da cellule staminali che sono concepiti per riprodurre fedelmente la complessa struttura e funzionalità di organi umani come i polmoni, il fegato o il cervello. Gli organoidi sono strutture multicellulari e presentano un elevato grado di auto-assemblaggio offrendo una rappresentazione ancor più fedele delle complesse risposte e interazioni cellulari in vivo rispetto alle colture cellulari 2D tradizionali.

Esistono tre diverse definizioni che contraddistinguono un organoide:

  • È un microtessuto biologico 3D che contiene vari tipi di cellule
  • Rappresenta la complessità, l’organizzazione e la struttura di un tessuto
  • E riproduce almeno alcuni aspetti della funzionalità di un tessuto

Importanza e vantaggi degli organoidi

Gli organoidi stanno diventando sempre più importanti nel campo della ricerca oncologica, della neurobiologia, della ricerca sulle cellule staminali e della scoperta farmacologica poiché consentono una migliore modellazione dei tessuti umani. Derivati da cellule staminali, gli organoidi possono essere differenziati in un’ampia varietà di tipi di tessuti, tra cui fegato, polmone, cervello, rene, stomaco e intestino. Poiché questi microtessuti 3D riproducono le caratteristiche degli organi in vivo, possono fornire ai ricercatori informazioni più approfondite sui meccanismi di sviluppo e di malattia nell’uomo. Ad esempio, i ricercatori possono coltivare organoidi derivati da cellule geneticamente modificate per capire in che modo specifiche mutazioni geniche sono collegate a determinati disturbi genetici. Gli organoidi possono anche facilitare lo studio delle malattie infettive e delle interazioni ospite-patogeno. Infine, la possibilità di utilizzare organoidi derivati da pazienti per gli screening farmacologici e le valutazioni della tossicità sta consentendo ai ricercatori di compiere ulteriori progressi nel campo della medicina personalizzata.

Flusso di lavoro generale per la ricerca sugli organoidi

Considerata la crescente complessità degli organoidi e di altri sistemi cellulari 3D, sono necessarie tecniche di imaging e analisi 3D più sofisticate per caratterizzare in maniera accurata ed efficiente questi saggi biologici. Al giorno d’oggi, vengono comunemente utilizzati sistemi automatizzati di imaging confocale e software di analisi delle immagini 3D per aiutare i ricercatori a semplificare il loro flusso di lavoro e ottenere risultati ottimali.

Illustrazione del flusso di lavoro per gli organoidi

Passaggio 1) Precoltura 2D

Gli organoidi derivano da cellule primarie (ad es. intestinali, polmonari o renali) o cellule staminali pluripotenti indotte. Le cellule staminali sono in grado di differenziarsi e autoassemblarsi in una varietà di organoidi tessuto-specifici.

Passaggio 2) Sviluppo di organoidi 3D

Solitamente le cellule vengono premescolate con Matrigel, di cui vengono collocate goccioline in una piastra a 24 pozzetti a temperatura ambiente. Le piastre vengono quindi messe in un incubatore in modo che si formi una cupola solida a partire dalle goccioline. Successivamente viene aggiunto terreno di coltura per sette o più giorni per promuovere la crescita delle cellule e il loro differenziamento in un tessuto specifico (cervello, intestino, polmoni, ecc.). Il terreno contiene proteine della MEC e diversi fattori di crescita che varieranno in base al tipo di tessuto che si sta sviluppando.

Passaggio 3) Coltura degli organoidi

La coltura degli organoidi è un processo lungo che può includere varie fasi con terreni di coltura diversi. Durante questo processo è necessario monitorare la salute delle cellule (imaging); questo approccio viene solitamente utilizzato per comprendere la biologia dello sviluppo e i tessuti.

Passaggio 4) Monitoraggio e letture

Prima di eseguire gli esperimenti, gli organoidi devono essere monitorati e caratterizzati per assicurarsi che presentino la struttura tissutale e il differenziamento appropriati. Le tecniche di imaging ad alto contenuto permettono di monitorare e visualizzare la crescita e il differenziamento degli organoidi, di eseguire la ricostruzione 3D e l’analisi complessa della loro struttura, di studiare la morfologia e la vitalità delle cellule e di determinare l’espressione di diversi marcatori cellulari.

Passaggio 5) Imaging confocale e analisi 3D

I sistemi di imaging confocale e analisi 3D consentono la visualizzazione e la quantificazione degli organoidi e delle cellule che li compongono. La caratterizzazione di vari descrittori quantitativi degli organoidi potrebbe essere utilizzata per studiare i fenotipi di malattia e l’effetto dei composti.

Imaging confocale e analisi delle immagini 3D di organoidi

Gli organoidi sono molto utili per la modellazione delle malattie e la valutazione degli effetti dei composti. Le tecniche automatizzate di imaging e analisi degli organoidi sono importanti per la valutazione quantitativa delle alterazioni fenotipiche che si verificano in queste cellule e per aumentare il rendimento di esperimenti e screening.

 

Imaging confocale e analisi delle immagini 3D di organoidi

 

Le piattaforme di imaging confocale come il sistema ImageXpress® Confocal HT.ai, che è dotato di laser ad alte prestazioni e obiettivi a immersione in acqua, sono particolarmente utili per cogliere la complessità dei saggi biologici 3D. A differenza degli sferoidi tipici, che hanno l’aspetto di oggetti solidi e in cui la penetrazione della luce è limitata, alcuni organoidi 3D come quelli polmonari hanno un aspetto cavo, con un lume o delle cavità al loro interno, e vengono penetrati più facilmente dalla luce, permettendo “l’imaging attraverso” i microtessuti immersi in Matrigel.

Analisi CME di organoidi delle vie respiratorie

Imaging e analisi di un modello 3D basato su organoidi. In questo breve video, Andy Bashford (imaging applications scientist) mostra un ottimo esempio di un modello 3D delle vie respiratorie basato su organoidi e descrive alcuni metodi interessanti per ottenere i massimi risultati da questo tipo di saggio.

Gli strumenti di analisi ad alto contenuto, come i software di analisi delle immagini MetaXpress o IN Carta, permettono l’identificazione e la caratterizzazione di molteplici oggetti/organoidi in formato 2D (per immagini di proiezione massima o acquisite su un singolo piano) o 3D, quando oggetti situati su vari piani vengono collegati e ricostituiti in uno spazio 3D dal software. Gli organoidi possono essere caratterizzati in termini di diametro, volume, forma, intensità di un marcatore specifico o distanza da altri oggetti.

Inoltre, all’interno di ciascun organoide è possibile definire e misurare singole cellule, nuclei o organelli. Ciò permette di contare le cellule vive e quelle morte o le cellule che presentano uno specifico marcatore e anche di definire i volumi e le distanze tra gli oggetti. È possibile ottenere valori numerici per ciascun organoide o calcolarne la media per pozzetto.

Galleria di immagini di cellule di organoidi polmonari

Applicazioni e saggi

  • Organoidi cerebrali

    Organoidi cerebrali (di cervello)

    Gli organoidi cerebrali sono modelli tissutali 3D che rappresentano una o più regioni del cervello. Permettono di sopperire agli inconvenienti associati ai modelli convenzionali basati su cervelli autoptici e di animali, fornendo risultati clinicamente rilevanti.

    Gli organoidi cerebrali presentano notevoli potenzialità per la comprensione dello sviluppo cerebrale e delle malattie neuronali. Inoltre, possono essere utilizzati per studiare i disturbi genetici e gli effetti di composti. Tuttavia, per cogliere l’unicità del cervello umano sono necessari saggi funzionali e sistemi di imaging ad alto contenuto.

    Scopri di più sugli organoidi cerebrali 

    Organoidi intestinali

    Organoidi intestinali

    Gli organoidi intestinali sono modelli tissutali 3D che riproducono strutture presenti nel lume intestinale e sull’epitelio intestinale circostante.

    La composizione cellulare e l’organizzazione dell’epitelio rendono gli organoidi intestinali uno strumento utile per studiare la biologia, la rigenerazione e il differenziamento delle cellule intestinali, nonché i fenotipi di malattia, compresi gli effetti di specifiche mutazioni, del microbioma o di processi infiammatori.

    Scopri di più sugli organoidi intestinali 

  • Automazione di laboratorio per il flusso di lavoro per lo screening di organoidi

    Automazione di laboratorio per il flusso di lavoro per lo screening di organoidi

    Le nostre soluzioni di automazione per il laboratorio si avvalgono di scienziati e ingegneri che possono personalizzare i nostri strumenti e automatizzare interi flussi di lavoro per soddisfare le esigenze specifiche del vostro saggio, metodo o protocollo. Dagli incubatori e i sistemi di gestione dei liquidi fino alla robotica e ai software e hardware personalizzati, potete contare su di noi e sulla nostra esperienza di oltre 35 anni nel settore delle scienze naturali per la fornitura di prodotti di qualità e l’erogazione di servizi di assistenza in tutto il mondo.

    Scoprite in che modo le celle di lavoro ad automazione robotica e l’analisi delle immagini basata sull’IA possono aiutarvi a sviluppare un flusso di lavoro completo ed efficiente per i vostri processi di sviluppo degli organoidi.

    Organoidi derivati da pazienti (tumoroidi)

    Organoidi derivati da pazienti

    Gli organoidi tumorali derivati da pazienti, o tumoroidi, sono colture di cellule tumorali che possono essere generate a partire da singoli pazienti. I tumoroidi sono strumenti estremamente utili per la ricerca oncologica, lo sviluppo di farmaci e la medicina personalizzata.

    L’identificazione e il trattamento precoci sono cruciali per il tasso di sopravvivenza dei pazienti affetti da carcinoma mammario. Questi processi richiedono l’uso di modelli tumorali clinicamente rilevanti per capire il meccanismo, analizzare i biomarcatori tumorali ed eseguire lo screening dei farmaci antitumorali. I tumoroidi di carcinoma mammario rappresentano una piattaforma adeguata per studiare la fisiologia tumorale e la risposta alle terapie mirate.

    Scoprite come analizzare la crescita dei tumoroidi di carcinoma mammario e l’efficacia dei trattamenti antitumorali con soluzioni di screening ad alto rendimento e imaging ad alto contenuto:

    Scopri di più sui tumoroidi di carcinoma mammario derivati da pazienti 

  • Organoidi polmonari (di polmone)

    Organoidi polmonari (di polmone)

    Le colture di organoidi polmonari sono modelli di microtessuti 3D che riproducono le caratteristiche morfologiche e funzionali delle vie respiratorie, come la secrezione di muco, il battito ciliare e la rigenerazione. Questa rilevanza biologica permette di studiare i meccanismi di riparazione/rigenerazione nel danno polmonare e delle alterazioni fenotipiche nelle malattie polmonari. Gli organoidi polmonari possono anche essere utilizzati per valutazioni di tossicità o per la sperimentazione di farmaci.

    Scopri di più sugli organoidi polmonari 

Ultime risorse

Risorse per gli organoidi

Video e webinar

Modelli emergenti di organoidi: dalla ricerca di base allo sviluppo di farmaci e alla medicina rigenerativa

Applicazione e analisi di sistemi di organoidi

Automazione della coltura e dell’imaging ad alto contenuto di organoidi 3D per la valutazione in vitro degli effetti di composti

Introduzione ai modelli e all’imaging di tessuti umani 3D

Rilevazione della complessità della biologia cellulare

Monitoraggio dello sviluppo di organoidi cerebrali 3D derivati da iPSC

Rassegna delle innovazioni all’ISSCR 2021: Processi automatizzati di coltura e imaging ad alto contenuto di organoidi 3D polmonari e cardiaci

Una visita guidata al Centro di innovazione sugli organoidi

Una visita guidata al Centro di innovazione sugli organoidi

Rilevazione della complessità della biologia 3D: uso di organoidi per la modellazione delle malattie e le ricerche sulla tossicità

Modellazione delle malattie nel XXI secolo: Saggi automatizzati sugli organoidi mediante imaging 3D

Sistemi organ-on-a-chip ad alto rendimento basati su organoidi per la scoperta farmacologica e la modellazione delle malattie

Sviluppo di modelli di tessuto basati sulla tecnologia organ-on-a-chip ad alto rendimento per la scoperta farmacologica utilizzando l’imaging ad alto contenuto

Modelli tissutali fisiologicamente rilevanti mediante l’uso di una piattaforma organ-on-a-chip ad alto rendimento

Modelli tissutali fisiologicamente rilevanti mediante l’uso di una piattaforma organ-on-a-chip ad alto rendimento