Organoidi 3D: la nuova frontiera per lo studio del microbiota intestinale

La scienza e la tecnologia si moltiplicano attorno a noi. A un punto tale che esse dettano il linguaggio col quale noi parliamo e pensiamo. O utilizziamo questi linguaggi o rimaniamo muti. (J. G. Ballard)

La tecnologia a disposizione della ricerca scientifica avanza ormai a ritmi incredibili scavalcando confini ed esplorando nuovi terreni, quasi al limite della fantascienza. L’ultima frontiera in quest’ambito è rappresentatata dagli organoidi 3D. Un nome apparentemente astratto e dalla risonanza futuristica di stampo Star Trek. Al contrario, il mondo degli organoidi è molto più reale di quello che potremmo immaginare.

Gli organoidi, per definizione, sono delle strutture 3D ottenute a partire da cellule staminali embrionali (ASCs) o cellule staminali adulte pluripotenti organo-specifiche (PSCs), auto-organizzate nello spazio e perfettamente funzionali relativamente all’organo di cui prendono le veci.

L’importanza di queste strutture risiede nel loro ruolo di modelli in vitro delle funzionalità organo specifiche. Insomma, una valida alternativa al modello animale e sicuramente un salto di qualità rispetto alle classiche colture cellulari 2D.

Ma, perché gli organoidi 3D ci interesserebbero in microbiologia? Ebbene, ad esempio perché grazie ad organoidi intestinali potremmo simulare in vitro la relazione intestino-microbiota, con condizioni più fedeli alla realtà.

I risultati pubblicati in diversi studi su questo nuovo ambito sono abbastanza promettenti per la futura affermazione degli organoidi come modelli di ricerca, al pari degli animali per studi in vivo.

Nel 2009, Sato e collaboratori sono stati i primi a coltivare le cellule staminali pluripotenti isolate da cripte intestinali in un terreno di coltura costituito da componenti della matrice extracellulare di un sarcoma murino e diversi fattori di crescita (tra cui l’EGF). In queste condizioni, le cellule intestinali staminali hanno iniziato a proliferare fino a creare delle strutture cistiche in continua espansione con tipiche protuberanze altamente differenziate. Sorprendentemente, la funzionalità di queste strutture era comparabile a quella di una cripta intestinale.

Una volta riprodotta la funzionalità intestinale in 3D i ricercatori si sono spinti oltre, con l’introduzione di un ipotetico microbiota. L’infezione batterica si ottiene con microiniezioni direttamente all’interno dell’organoide oppure nel loro terreno di coltura (Fig. 1). Allo stesso tempo, è possibile ottenere infezioni di tipo virale attraverso la distruzione meccanica degli organoidi e successiva incorporazione di segmenti virali durante la fase di accrescimento.

Fig. 1: Gli organoidi gastrointestinali possono essere coltivati a partire da cellule staminali embrionali o cellule staminali adulte. Gli organoidi derivanti da colture in espansione possono essere infettati da batteri (B-E) sia attraverso microiniezione individuale che mediante il terreno di coltura.

Le possibilità applicative di questa nuova tecnologia sono diverse e tuttavia in fase di esplorazione da parte di molti gruppi di ricerca.

Un gruppo di scienziati dell’Università di Cambridge ha studiato, ad esempio, l’interazione tra il batterio patogeno Salmonella enterica e la parete intestinale mediante organoidi ottenuti da cellule staminali pluripotenti umane. Analisi di sequenziamento di RNA e imaging cellulare hanno rilevato dei chiari cambiamenti dell’epitelio intestinale a livello trascrizionale e nel pattern di espressione di citochine. Sorprendentemente, queste variazioni erano assenti negli organoidi infettati da versioni non patogene di Salmonella.

Un altro studio interessante in quest’ambito è stato recentemente pubblicato sulla rivista scientifica Science da un gruppo di ricercatori della Duke University, negli USA. I ricercatori sono stati in grado di individuare la relazione diretta di cellule intestinali epiteliali con la stimolazione del nervo vago mediante l’uso di organoidi 3D. Queste cellule, normalmente chiamate cellule neuroendocrine intestinali, sono state pertanto rinominate dai ricercatori cellule neuropodali, in relazione alla loro capacità di formare sinapsi con il sistema vagale. Insomma, una chiara dimostrazione dell’esistenza di una comunicazione diretta tra intestino e cervello.

Una tecnologia, quella degli organoidi 3D, dall’evidente potenziale applicativo nell’ambito della ricerca, sebbene il cammino per la sua affermazione come modello standard di ricerca sia ancora lungo. Sarebbe infatti importante studiare l’evoluzione e conservazione delle proprietà degli organoidi in colture a lungo termine, oltre che l’eventuale uso di matrici extracellulari alternative per il loro accrescimento. Tante domande ancora aperte che lasciano un ventaglio di opportunità di ricerca e approfondimento a disposizione della comunità scientifica.

Serena Galiè

Fonti:

  • Modeling infectious diseases and host-microbe interactions in gastrointestinal organoids (Sina Bartfeld, 2016)
  • A gut-brain neural circuit for nutrient sensory transduction (Melanie Maya Kaelberer et al., 2018)

Laureata in Biotecnologie Mediche con curriculum internazionale in Management in Medical Biotechnology presso l’Università Alma Mater Studiorum di Bologna. Master in Biotechnology of Environment and Health presso l’Università di Oviedo, in Spagna. Attualmente studentessa di un PhD in Nutrizione e Metabolismo presso l’Università Rovira I Virgili, a Tarragona in Spagna.

Informazioni su Serena Galié 25 Articoli
Laureata in Biotecnologie Mediche con curriculum internazionale in Management in Medical Biotechnology presso l'Università Alma Mater Studiorum di Bologna. Master in Biotechnology of Environment and Health presso l'Università di Oviedo, in Spagna. Attualmente studentessa di un PhD in Nutrizione e Metabolismo presso l'Università Rovira I Virgili, a Tarragona in Spagna.

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