a cura della Dott.ssa Francesca Passannanti e del Prof. Roberto Nigro

L’intestino tenue è un organo altamente specializzato, adibito principalmente alla digestione e all’assorbimento dei nutrienti. Ha una architettura molto complessa in cui è possibile distinguere cripte (invaginazioni del tessuto) in continuità con villi (proiezioni nel lume intestinale).

Le cellule staminali sono collocate nelle cripte dove differenziano e migrano, in forma differenziata, verso i villi. A guidare questo processo c’è un complesso meccanismo di gradienti di crescita e morfogeni, non ancora compreso fino in fondo.

Modelli sperimentali in grado di mimare la complessità delle proprietà proliferative e differenziative apparivano piuttosto limitati.

In passato il principale modello impiegato per lo studio era rappresentato da linee cellulari di cancro del colon. Successivamente si è arrivati allo sviluppo di dispositivi miniaturizzati, che comunque prevedevano l’impiego delle medesime linee cellulari, per riprodurre forma e funzione dell’intestino.

Da molteplici studi è poi emerso che l’impiego di micro-impalcature 3D create con matrici extracellulari possa influenzare la crescita, la differenziazione, l’espressione genica e le funzioni di assorbimento delle cellule Caco-2 coltivate su questi dispositivi.

Da dire che sebbene le cellule Caco-2 siano state per motivi pratici le linee cellulari maggiormente impiegate per studi di questo tipo, non riproducono in maniera fedele gli enterociti non mutati e grazie a nuovi studi è stato possibile impiegare linee primarie non trasformate fino ad arrivare alla creazione di “mini-intestini” o più correttamente enteroidi.

I primi enteroidi presentavano dei limiti legati principalmente alla mancata presenza di un lume accessibile come è per l’intestino nella realtà (erano infatti dotati di una morfologia sferica) e alla incorporazione delle cellule in idrogel: attraverso questa matrice si trovavano a diffondere i composti per raggiungere l’enteroide, con possibili errori di dosaggio e problemi di adsorbimento.

Attualmente le ricerche si stanno concentrando sull’ingegnerizzazione di tali dispositivi, con la creazione dei cosiddetti organ-on-chip e grande attenzione sta venendo dedicata ai materiali da impiegare come impalcatura (scaffold).

Le caratteristiche dimensionali, morfologiche, strutturali e compositive dello scaffold determinano le proprietà strutturali dell’enteroide che su esso sarà assemblato. E’ per questo che la scelta del sistema di generazione dello scaffold è determinante nell’ottenere un enteroide con caratteristiche assimilabili all’organo target.

Diverse tecnologie dello scaffold sono state proposte nella letteratura scientifica, come ad esempio l’utilizzo di stampi (e controstampi) o la stampa 3D , ma ognuna presenta problematiche operative che si sono trasferite alle caratteristiche strutturali dell’enteroide, nonché di vita media del’organ-on-chip. Tali difficoltà sono principalmente legate alle caratteristiche chimiche e fisiche del terreno di crescita e di strutturazione dell’enteroide che deve essere ottimizzato per lo specifico metodo di produzione dell’impalcatura.

In un recente lavoro (1) è stato utilizzato come materiale un idrogel di collagene reticolato che, integrato con proteine della matrice extracellulare, è in grado di replicare le caratteristiche chiave del piccolo intestino in vivo: un’architettura cripta-villi con un’appropriata compartimentazione delle cellule ed una superficie luminale aperta e accessibile. I gradienti chimici applicati all’asse cripta-villi hanno poi promosso la creazione di una zona delle cellule staminali / progenitrici e hanno supportato la migrazione delle cellule lungo l’asse cripta-villi.

Il tessuto in vitro ha quindi imitato il tessuto in vivo in termini di architettura, polarità dei tessuti e accessibilità luminale.

In una recentissima pubblicazione (2), l’utilizzo di tecniche laser ablation ha consentito di utilizzare come scaffold una miscela ibrida di matrigel (25%) e di collagene di tipo I, ottimale per l’accrescimento e strutturazione dell’enteroide . Le cellule staminali intestinali sono state indotte a formare epiteli a forma di tubo con un lume accessibile e una disposizione spaziale simile a quella in vivo. Grazie all’impiego di un sistema di pompaggio esterno, è stato poi possibile rendere i mini-intestini tubulari perfusibili, in modo da consentire la rimozione continua delle cellule morte per prolungare la durata della vita dei tessuti di diverse settimane.

Dispositivi di questo tipo potrebbero consentire lo studio dell’effetto di nutrienti, prebiotici, medicinali, microbiota e tossine sull’epitelio intestinale umano e, con l’utilizzo di campioni bioptici, di ri-creare modelli specifici/personalizzati di malattia per una sua migliore comprensione.

 

Bibliografia

1) Wang Y. et al.. A microengineered collagen scaffold for generating a polarized crypt- villus architecture of human small intestinal epithelium. Biomaterials 128 (2017) 44e55.

2) Nikolaev M. et al.. Homeostatic mini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis. Nature 585 (2020), 574-578.

 

Dott.ssa Francesca Passannanti – Responsabile della Segreteria dell’Istituto Scotti Bassani

Prof. Roberto Nigro – Responsabile della tecnologia e dei progetti scientifici dell’Istituto Scotti Bassani