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I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato un modello più realistico che può essere utilizzato anche per esplorare meglio nuovi trattamenti per i tumori cerebrali.
La barriera emato-encefalica protegge il nostro sistema nervoso centrale dalle sostanze nocive nel flusso sanguigno ed è importante dal punto di vista medico, perché molte malattie del sistema nervoso centrale sono legate a una sua lesione.
Per scoprire come funziona questa barriera, gli scienziati conducono spesso esperimenti su animali vivi. Oltre ad essere relativamente costosi, le cellule animali possono fornire solo una parte del quadro di ciò che sta accadendo in un corpo umano.
Inoltre, ci sono alcuni critici che mettono in dubbio la validità di base della sperimentazione animale. Un’alternativa è quella di basare gli esperimenti su cellule umane che sono state coltivate in laboratorio.
Il problema con molti modelli in vitro è che ricreano la barriera emato-encefalica in modo relativamente semplificato utilizzando cellule della parete dei vasi sanguigni (cellule endoteliali).
Questo approccio non riesce a rappresentare la complessa struttura del sistema umano e trascura, ad esempio, la comunicazione tra i vari tipi di cellule. Inoltre, molti di questi modelli sono statici.
In altre parole, le cellule galleggiano in una sospensione che non si muove, il che implica che il flusso di fluido o lo stress a cui le cellule sono esposte nel corpo non sono considerati.
Esistono anche modelli dinamici in vitro che simulano le condizioni di flusso nel corpo, ma il problema qui è che le pompe di cui hanno bisogno rendono la configurazione sperimentale piuttosto complicata.
Accanto a tutte queste sfide, c’è il problema della misurazione: è quasi impossibile scattare immagini ad alta risoluzione dei cambiamenti strutturali della barriera emato-encefalica in tempo reale, misurando anche la resistenza elettrica della barriera, entrambi i quali riflettono la compattezza e la tenuta della barriera.
Lavorando sotto Andreas Hierlemann, Mario Modena, un postdoc che lavora presso il laboratorio di bioingegneria dell’ETH di Zurigo e i suoi colleghi hanno trascorso tre anni e mezzo a sviluppare il modello di barriera emato-encefalica 3D a microfluidica aperta.
Per ricreare la barriera, il team di ricerca ha preso quei tipi di cellule che costituiscono naturalmente la barriera emato-encefalica – cellule endoteliali microvascolari, astrociti umani e periciti umani – e li ha combinati all’interno di un’unica piattaforma.
“Questa strategia ci ha permesso di replicare quasi completamente la struttura cellulare 3D presente nel corpo umano”, afferma Modena.
“Ma ciò che è davvero eccezionale è che possiamo misurare la permeabilità della barriera e contemporaneamente mappare i cambiamenti morfologici della barriera mediante microscopia time-lapse ad alta risoluzione”.
Per facilitare questo doppio atto, i ricercatori hanno depositato elettrodi interamente trasparenti su vetrini di vetro su entrambi i lati della barriera per misurarne la permeabilità, che si riflette nella resistenza elettrica attraverso la barriera cellulare. Gli elettrodi trasparenti offrono un vantaggio decisivo rispetto ad altri tipi di elettrodi, che includono film metallici o strutture metalliche che possono interferire con il rilevamento ottico e la microscopia ad alta risoluzione.
Per imitare il modo in cui il fluido scorre nel corpo, i ricercatori hanno realizzato la piattaforma microfluidica con serbatoi di fluido ad entrambe le estremità su una sorta di altalena. La gravità ha quindi innescato il flusso, che a sua volta ha generato forza di taglio sulle cellule.
Hierlemann spiega il vantaggio di questa configurazione: “Poiché non utilizziamo pompe, possiamo sperimentare più sistemi modello contemporaneamente, ad esempio in un incubatore, senza aumentare la complessità della configurazione”.
In uno studio, pubblicato di recente sulla rivista Advanced Science, i ricercatori hanno presentato e testato il loro nuovo modello di barriera emato-encefalica in vitro.
Hanno sottoposto la barriera alla privazione di ossigeno-glucosio, come accade quando qualcuno sta avendo un ictus. “Questi esperimenti ci hanno permesso di innescare rapidi cambiamenti nella barriera e dimostrare il potenziale della piattaforma”, afferma Modena.
Attraverso questo studio, Modena e i suoi colleghi sono stati in grado di fare di più che dimostrare che la loro nuova piattaforma è adatta per effettuare misurazioni.
Hanno anche scoperto che la resistenza elettrica della barriera diminuisce anche prima che subisca cambiamenti morfologici che la rendono più permeabile. “Questa scoperta potrebbe rivelarsi rilevante per la ricerca futura”, dice Modena.
Il team ha anche osservato che negli esperimenti di controllo che utilizzano un modello statico in vitro, la barriera era più permeabile rispetto alla nuova configurazione dinamica.
Modena e Hierlemann ritengono che il loro modello renderà più facile rilevare quali molecole stabilizzano la barriera, nonché scoprire composti e metodi adatti per attraversarla, che sarebbero utili nel trattamento dei tumori cerebrali.
Ma Hierlemann osserva che il modello potrebbe anche cambiare il corso della futura ricerca in vitro. “Il vantaggio della nostra piattaforma è che è molto facile adattarsi ad altri modelli di cellule endoteliali, dove una combinazione di misurazioni di tenuta barriera e microscopia ad alta risoluzione potrebbe aprire la strada a nuove ricerche”.
