Articolo tratto da: Ingber, D. E., Is it Time for Reviewer 3 to Request Human Organ Chip Experiments Instead of Animal Validation Studies?. Adv. Sci. 2020, 7, 2002030. https://doi.org/10.1002/advs.202002030
Riassunto
Nel secolo scorso, per convalidare la rilevanza fisiologica dei risultati in vitro, i revisori di articoli scientifici e progetti da sovvenzionare, richiedevano sempre dati sperimentali ottenuti dagli studi sugli animali. Allo stesso tempo, i ricercatori farmaceutici e le agenzie di regolamentazione riconoscono che i risultati ottenuti dai modelli animali nelle fasi precliniche spesso non sono in grado di prevedere le risposte ai farmaci negli esseri umani. Questo articolo esamina i recenti progressi nella tecnologia degli organoidi umani, degli organi su chip umani (Organs-on-a-Chip), sia con singoli Organ- on-a-Chip che con più organi collegati tra loro al circuito microfluidico, ovvero il corpo umano su chip (Body-on-a-Chip). Questi sistemi dimostrano la loro capacità di ricapitolare la fisiologia umana e gli stati patologici, nonché le risposte ai farmaci dei pazienti umani, con maggiore fedeltà rispetto ad altri modelli in vitro e agli studi sugli animali. Questi risultati sollevano la questione se sia etico e scientificamente sensato continuare a richiedere i risultati dei test sugli animali per la pubblicazione di articoli scientifici o la concessione di finanziamenti, e se modelli su chip, più rilevanti dal punto di vista fisiologico potrebbero servire meglio a questo scopo. Il presente articolo affronta questo problema nel contesto storico del campo di ricerca e vengono discussi vantaggi e svantaggi degli Organs-on-a-Chip rispetto ai modelli animali. Il tutto dovrebbe essere considerato dall’intera comunità scientifica e di ricercatori.
Le domande di sovvenzioni per la ricerca biomedica e gli articoli scientifici iniziano comunemente con una spiegazione della potenziale rilevanza del lavoro per la salute umana. La maggior parte dei ricercatori di base esegue esperimenti utilizzando modelli in vitro e, quindi, la chiave della loro premessa è che i risultati che generano nelle loro colture cellulari saranno applicabili all’uomo. Poiché gli studi in vitro generalmente mancano del contesto tridimensionale naturale, del flusso vascolare, del microambiente fisico-chimico e del rapporto con altri tessuti ed organi tipico dell’organismo vivente, molti mettono in dubbio la rilevanza clinica dei risultati ottenuti con questi modelli semplificati. Per questo motivo, la maggior parte dei ricercatori che presentano una domanda di sovvenzione o una pubblicazione basata su risultati in vitro si aspettano di trovare almeno un revisore che richieda che vengano condotti ulteriori esperimenti sugli animali per convalidare i loro risultati prima che il lavoro possa essere accettato per la pubblicazione o il finanziamento.
I modelli animali non sono in grado di mimare efficacemente le malattie umane e non possono predire in modo affidabile ed adeguato le risposte ai farmaci
Gli studi dell’industria farmaceutica, nonché delle agenzie di regolamentazione e governative di tutto il mondo, tra cui la Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti e il National Institutes of Health (NIH), hanno costantemente rilevato che i risultati dei test sui farmaci nei modelli animali sono scarsamente trasferibili all’uomo. Le stime dei tassi di fallimento variano fino ad oltre il 90%, e questo si riferisce sia alla mancanza di efficacia che ai problemi di sicurezza quando i farmaci vengono valutati negli studi clinici sull’uomo. Molti modelli animali, compresi i topi geneticamente modificati, possono mimare alcune caratteristiche delle malattie umane; tuttavia, i meccanismi molecolari, cellulari e fisiologici sottostanti sono spesso differenti.
Gli organi su Chip sono in grado di ricapitolare la fisiologia umana meglio di quanto possano fare i modelli animali
Gli organs-on-a-chips sono dei complessi sistemi basati sulla microfluidica che ricapitolano la perfusione vascolare, le interfacce tessuto-tessuto e i movimenti meccanici rilevanti per gli organi, consentendo anche l’integrazione di cellule immunitarie circolanti, cellule del tessuto connettivo e persino il microbiota umano. Questi dispositivi possono essere assemblati utilizzando cellule umane primarie, cellule staminali riprogrammate (ricavate ad esempio dalla pelle) o cellule isolate da organoidi derivati dal paziente. Sono stati creati finora molteplici modelli su chip, sia di singoli organi (cuore, polmone, fegato, rene, etc.) che di sistemi a più organi.
Forse l’argomento più chiaro contro l’uso di modelli animali proviene da studi che dimostrano che gli organs-on-a-chip possono replicare le risposte fisiopatologiche osservate negli esseri umani, che gli studi preclinici sugli animali non sono mai stati in grado di rilevare. Un esempio è il rene umano su chip che può replicare le tossicità indotte dal cisplatino (un farmaco antitumorale) attraverso un trasportatore di specifico per l’uomo che non è espresso negli animali. Un altro esempio riguarda i vasi sanguigni umani su chip che riproducono i fenomeni trombotici in risposta al trattamento con un anticorpo monoclonale terapeutico che in passato causò dei decessi durante gli studi clinici sull’uomo, poiché questi fenomeni non erano stati osservati negli studi preclinici sugli animali. Infine, una sfida difficile per i modelli animali è quella di mimare fedelmente la complessa funzione del sistema immunitario umano, come le risposte ai vaccini. Ebbene, studi recenti suggeriscono che tali studi potrebbero essere possibili anche utilizzando un organ-on-a-chip che supporta l’autoassemblaggio di linfociti B e T (particolari cellule del sistema immunitario) derivati dal sangue umano in follicoli linfoidi simili ai centri germinativi. Inoltre, il midollo osseo umano su chip supporta la produzione continua di più linee cellulari del sangue, nonché l’intravasazione spontanea di cellule del sangue più differenziate nel canale vascolare del chip rivestito da cellule endoteliali. Ciò aumenta la possibilità di creare Organs-on-a-Chip singoli o multipli che incorporano tutte le cellule e i tessuti derivati dallo stesso paziente, comprese le cellule immunitarie circolanti.
Conclusioni
Questo articolo è iniziato con una semplice domanda: ha senso per i revisori richiedere studi di convalida sugli animali prima di finanziare ricerche o condividere articoli con la comunità scientifica e, in caso contrario, esiste un’alternativa migliore? Come descritto sopra, il problema risiede principalmente nel fatto che molti modelli animali sono fisiologicamente irrilevanti quando si considerano le malattie umane, e quindi, richiedere l’uso di un modello animale scadente al solo scopo di “soddisfare i revisori” dovrebbe essere scoraggiato. Dati i recenti progressi nelle tecnologie su chip, l’autore del presente articolo suggerisce che queste nuove forme di sperimentazione in vitro incentrate sulla biologia umana siano in grado di fornire modelli preclinici fisiologicamente e clinicamente più rilevanti, per lo studio della fisiopatologia e delle risposte farmacologiche, rispetto a molti studi sugli animali, e dovrebbero pertanto essere considerate dai revisori per prime.
L’obiettivo dell’autore è avviare un dibattito tra i membri della comunità scientifica e chiedere agli scienziati che fungono da revisori di considerare la realtà attuale. Poiché il nostro interesse collettivo è nella salute umana, il nostro obiettivo non dovrebbe essere quello di convalidare i risultati contro un gold standard animale, bensì un riferimento umano, perché alla fine sappiamo tutti che i topi non sono umani in miniatura. Forse è ora che i revisori accettino questa realtà.
Fonte: Ingber, D. E., Is it Time for Reviewer 3 to Request Human Organ Chip Experiments Instead of Animal Validation Studies?. Adv. Sci. 2020, 7, 2002030. https://doi.org/10.1002/advs.202002030
