Modellazione delle malattie
L’utilizzo delle strutture cellulari tridimensionali (3D) per la modellazione di tumori, organi e tessuti allo scopo di accelerare la ricerca traslazionale
Che cos’è la modellazione delle malattie?
La modellazione delle malattie è un aspetto fondamentale della ricerca biomedica e comprende la creazione di sistemi rappresentativi che imitano il comportamento delle malattie in un ambiente controllato. Questi modelli aiutano i ricercatori a comprendere i meccanismi alla base delle malattie, a testare l’efficacia di potenziali terapie e, in ultima analisi, ad aprire la strada a una migliore assistenza ai pazienti.
I sistemi di modello di malattie variano per complessità e dimensioni, da semplici colture cellulari 2D a complessi organismi modello. Sebbene gli organismi modello offrano un contesto in vivo, spesso sono costosi e potrebbero non rappresentare la biologia umana. D’altra parte, i tradizionali sistemi di coltura cellulare 2D sono stati utilizzati per molti anni, ma hanno dei limiti nel rappresentare la complessa struttura tridimensionale e le interazioni cellulari presenti nei tessuti viventi. Di conseguenza, le colture cellulari 3D sono emerse come un interessante sistema per la modellazione delle malattie.
Sfruttare i modelli cellulari 3D per lo studio delle malattie umane
I modelli cellulari 3D riproducono gli aspetti chiave della complessità dei tessuti e degli organi in vivo, il che li rende adatti allo studio delle malattie umane. Oltre a essere più facilmente soggetti a sperimentazione rispetto agli organismi modello, i modelli 3D possono essere derivati da cellule umane, il che li rende estremamente rilevanti per la malattia umana che si sta studiando. Ad esempio, gli organoidi cerebrali 3D coltivati a partire da iPSC possono essere utilizzati per studiare malattie neurodegenerative come l’Alzheimer e il Parkinson, i cardioidi, o organoidi cardiaci, possono essere utilizzati per studiare malattie cardiovascolari come l’insufficienza cardiaca, mentre gli organoidi derivati da pazienti (Patient-Derived Organoids, PDO) generati da biopsie tumorali possono fungere da modelli per la ricerca oncologica per comprendere le risposte ai farmaci specifiche del paziente e fornire opzioni di trattamento più efficaci.
Organoidi derivati da pazienti per la ricerca sulle malattie e la scoperta farmacologica
Molti dei potenziali farmaci antitumorali non superano le fasi successive della pipeline di sviluppo farmacologico e nelle sperimentazioni cliniche, nonostante dati promettenti per l’efficacia in vitro. Questo elevato tasso di insuccesso è in parte attribuito alla mancanza di modelli predittivi utilizzati per lo screening dei candidati farmaci nelle prime fasi della scoperta farmacologica. Per questo motivo, è necessario sviluppare e utilizzare modelli più rappresentativi che possano essere modificati per testare efficacemente i composti al fine di scoprire nuovi target terapeutici.
I modelli cellulari 3D, in particolare gli organoidi derivati da pazienti (PDO), offrono una soluzione promettente a questo problema. Le cellule coltivate in 3D possono imitare meglio le interazioni tra cellule e il microambiente dei tessuti, comprese le nicchie delle cellule staminali tumorali. Alcuni studi dimostrano che i pazienti e gli organoidi da essi derivati rispondono in modo simile ai farmaci, indicando il valore terapeutico dell’uso dei PDO per migliorare gli esiti terapeutici. Tuttavia, difficoltà quali la riproducibilità del saggio, l’ampliamento e il costo hanno limitato l’uso dei PDO nelle pipeline di scoperta farmacologica tradizionale.
Qui presentiamo la nostra ricerca sugli organoidi tumorali derivati da pazienti. I nostri risultati dimostrano il potenziale superiore dei PDO rispetto ad altri tessuti sia nella medicina di precisione che nelle applicazioni di scoperta farmacologica ad alto rendimento quando si utilizza l’automazione con l’imaging ad alto contenuto e l’analisi dei dati di IA.
Tumori derivati da pazienti con carcinoma mammario
Il carcinoma mammario triplo negativo è un sottotipo tumorale clinicamente aggressivo con elevati tassi di metastasi, recidiva e farmacoresistenza. Attualmente non esistono terapie mirate a piccole molecole clinicamente approvate per questa malattia, il che sottolinea la necessità critica di scoprire nuovi target terapeutici. I modelli derivati da tumori primari possono riprodurre l’eterogeneità e la morfologia del tumore, nonché la complessa composizione genetica e molecolare, accelerando così lo sviluppo e la sperimentazione dei farmaci. Nel presente studio descriviamo l’automazione dei metodi di imaging e di coltura cellulare che consente di ampliare complessi saggi 3D basati su cellule.
Organoidi di carcinoma colorettale (Colorectal Cancer, CRC) derivati da pazienti
In questo poster, dimostriamo la loro utilità in applicazioni ad alto rendimento utilizzando PDO di carcinoma colorettale (CRC). Trattati con farmaci antitumorali selezionati a varie concentrazioni, i PDO sono stati monitorati nel tempo mediante imaging a luce trasmessa ed è stato sviluppato un modello di segmentazione delle immagini basato sul deep learning per analizzare le dimensioni, la consistenza, l’intensità e altre letture morfologiche e fenotipiche dei PDO. I nostri risultati confermano l’efficacia dell’uso di PDO pronti per il saggio per saggi ad alto rendimento come lo screening dei composti.
Tipi di modelli di coltura cellulare 3D rilevanti per gli esseri umani
Esistono vari tipi di modelli cellulari 3D utilizzati per la modellazione delle malattie e la scoperta farmacologica, tra cui sferoidi, organoidi e organ-on-a-chip. Ogni tipo di modello cellulare 3D presenta vantaggi esclusivi e la scelta di modelli 3D specifici dipende dalle esigenze specifiche della ricerca. Utilizzando questi modelli cellulari 3D rilevanti per gli esseri umani, i ricercatori possono studiare gli effetti di diversi trattamenti sulla progressione della malattia, identificare potenziali candidati farmaci e comprendere i meccanismi della malattia.
- Sferoidi: gli sferoidi sono aggregati di cellule che si autoassemblano in ambienti specifici (per es. quando vengono seminati in piastre rivestite con superfici a bassa adesività). A seconda del tipo di cellule utilizzate, lo sferoide risultante può modellare vari tessuti, come il fegato, le mammelle e il pancreas o specifici tessuti tumorali. Sono il tipo più semplice di modello cellulare 3D, solitamente composto da un solo tipo di cellula. Gli sferoidi richiedono meno tempo per crescere, il che rende relativamente facile lavorare con essi. Tuttavia, mancano della complessità strutturale offerta da altri modelli 3D. Possono essere generati a partire da cellule tumorali o da cellule staminali pluripotenti indotte (induced Pluripotent Stem Cells, iPSC) e utilizzati per studiare la progressione dei tumori, la resistenza ai farmaci e la tossicità.
- Organoidi: gli organoidi sono strutture 3D che imitano la struttura e la funzione di specifici organi o tessuti, come il cervello, il rene e l’intestino. Possono essere generati a partire da iPSC o da cellule staminali adulte e utilizzati per studiare i meccanismi delle malattie e testare l’efficacia di diversi trattamenti. Essendo derivati da tessuti umani, forniscono una migliore rappresentazione della malattia.
- Organoidi derivati dal paziente (o tumoroidi): gli organoidi derivati dal paziente (PDO) sono strutture cellulari tridimensionali coltivate da campioni di tessuto sia sano che patologico, che rappresentano un “paziente in una piastra”. I PDO presentano genetica, struttura ed eterogeneità molto simili a quelle dei tipi di cellule presenti nel tessuto del paziente. Questa maggiore somiglianza e la migliore traducibilità rendono i PDO una risorsa preziosa per la ricerca sulle malattie e lo sviluppo di farmaci.
- Organ-on-a-chip: questi modelli prevedono l’utilizzo di sistemi microfluidici per simulare le funzioni di diversi organi, come cuore, fegato e polmoni, in un unico dispositivo. Possono essere utilizzati per studiare la progressione della malattia e testare l’efficacia di diversi farmaci e trattamenti.
- Bio-stampa 3D: la bio-stampa è una tecnica relativamente nuova che utilizza la tecnologia di stampa 3D per creare strutture biologiche complesse, come tessuti e organi, da cellule vive e biomateriali. La bio-stampa è emersa come uno strumento promettente nella modellazione delle malattie perché permette ai ricercatori di creare modelli precisi e riproducibili di sistemi biologici complessi, che possono essere utilizzati per studiare i meccanismi di progressione delle malattie e testare l’efficacia di diversi trattamenti.
Applicazione e ricerca sulla biologia 3D per la modellazione delle malattie
L’uso di modelli cellulari 3D nella modellazione delle malattie è un campo in rapida crescita con un potenziale significativo per migliorare la comprensione di malattie complesse e accelerare lo sviluppo di nuovi composti terapeutici. Molecular Devices è impegnata a far progredire questo campo e a fornire ai ricercatori gli strumenti e le tecnologie necessarie per condurre ricerche all’avanguardia nella biologia 3D.
La combinazione di questa complessa biologia con tecniche avanzate di imaging ad alto contenuto, come quelle consentite dal sistema ImageXpress Micro Confocal, apre la strada a un livello completamente nuovo di saggi. Un potente strumento di imaging confocale automatizzato, dotato di capacità di analisi basata su IA/apprendimento automatico 3D, può consentire ai ricercatori di ottenere risultati accurati e quantitativi e di rispondere alle loro domande molto rapidamente e in modo solido e ampliabile.