Gli organoidi e gli organ-on-chip sono metodi alternativi o NAMs, e più precisamente sistemi microfisiologici, che potrebbero cambiare l’approccio dello sviluppo della terapia genica, rendendola più prevedibile e sicura
La terapia genica è, è stata e può essere in futuro uno strumento straordinario per il trattamento di malattie per le quali non esiste una cura risolutiva. In linea generale, il principio è semplice: in presenza di una malattia dovuta a una variante genetica (un gene che non “funziona” o “funziona male”), si cerca di correggere il difetto. Per esempio, portando all’interno delle cellule il gene corretto. Come? Con un vettore, spesso rappresentato da virus, per la capacità di queste entità biologiche di entrare nel nucleo delle cellule.
Tra i virus più studiati, e in alcuni casi utilizzati, per la terapia genica c’è il virus adeno-associato (AAV), modificati per ottimizzarne il ruolo di vettore genetico. Come abbiamo approfondito qui, il percorso di sviluppo di una terapia genica è lungo e complesso, e i modelli animali hanno un ruolo prezioso. Prezioso, ma come sempre con inevitabili limiti: ciò che funziona in una determinata specie non sempre si rivela efficace o sicuro anche nella nostra. Anche nel contesto della terapia genica, quindi, le New Approach Methodologies (NAMs), quelle spesso chiamate in modo più generico metodi alternativi, raccolgono moltissimo interesse. Una recente review ha ripercorso come i sistemi microfisiologici possano aiutare lo sviluppo delle terapie geniche basate su vettori AAV: modelli come gli organoidi o gli organ-on-a-chip potrebbero infatti renderla più sicura e prevedibile, fungendo come un “filtro umano” per selezionare le terapie migliori.
Ne abbiamo parlato con Patrizia Tornabene, prima autrice della review e ricercatrice al Center for Stem Cell and Organoid Medicine del Cincinnati Children’s Hospital Medical Center.
Perché oggi le terapie geniche, nonostante i molti successi, restano così difficili da prevedere quando si passa dai modelli animali ai pazienti?
Perché, sebbene i modelli animali siano stati fondamentali per lo sviluppo della terapia genica, spesso non replicano in modo fedele la complessità della fisiologia umana. Le differenze interspecie si riflettono su diversi livelli: la risposta immunitaria, la regolazione dell’espressione genica, la biodistribuzione (cioè come il vettore si distribuisce all’interno dell’organismo) e perfino l’architettura dei tessuti. Nel passaggio dall’animale all’essere umano emergono quindi variabili difficili da anticipare, come per esempio risposte immunitarie inaspettate contro il vettore o il gene da introdurre. Inoltre, quest’ultimo può non essere poi espresso nel modo e nei tempi previsti. Ancora, a differenza dei modelli animali, i pazienti sono intrinsecamente eterogenei per età, stato della malattia e background genetico. E poi c’è un’ulteriore considerazione da fare: gli animali ricreano spesso il modello malattia in modo artificiale, a seguito di un’introduzione della mutazione specifica e priva di eventi multifattoriali presenti invece nell’essere umano. Questa discrepanza di complessità è una delle ragioni principali per cui risultati promettenti negli animali non sempre si traducono in efficacia e/o sicurezza clinica. Un caso emblematico è la tossicità epatica grave e le risposte immunitarie contro i vettori AAV. Attenzione, questo non significa che l’uso degli animali sia inutile o pericoloso, ma rappresenta per la comunità scientifica una spinta importante, oltre a quella etica, a trovare metodi che ci permettano di superare questi limiti e sviluppare le terapie geniche in modo più sicuro ed efficace.
Cosa rende i sistemi microfisiologici più ‘umani’ rispetto ai modelli tradizionali, e perché questo potrebbe cambiare davvero il processo di sperimentazione?
I sistemi microfisiologici, come gli organoidi e organ-on-chip, mirano a ricreare in vitro microambienti tissutali che riproducono più fedelmente la fisiologia umana. Questi sistemi si avvalgono preferibilmente di cellule staminali indotte, derivate dal paziente stesso, e offrono la possibilità di creare controlli su cellule geneticamente identiche (isogeniche), utilizzando le tecniche di editing genetico per correggere la mutazione. Questi elementi permettono di catturare la complessità e il background genetico del paziente. Inoltre, attraverso protocolli specifici, le staminali derivate dal paziente possono essere differenziate per ricreare l’organo o gli organi di interesse, nei quali possiamo integrare stimoli meccanici come il flusso, la pressione, e l’inclusione di gradienti molecolari. Sistemi microfisiologici più complessi ricreano anche le interazioni cellula-cellula e, in alcuni casi, anche interazioni tra organi diversi (si parla in questi casi di “body-on-chip”).
Questa combinazione permette di catturare aspetti chiave che nei modelli tradizionali sono assenti o limitati. Un esempio concreto che ha rappresentato un punto di svolta per i sistemi microfisiologici è rappresentato da alcuni modelli di fegato: uno, in particolare, ha mostrato una sensibilità e specificità molto alte nel predire la tossicità epatica di determinati farmaci, tanto da essere la prima tecnologia organ-on-chip accettata nel programma iSTAND, l’iniziativa pensata per favorire l’uso di metodi innovativi nello sviluppo dei farmaci dell’FDA. Nel contesto della terapia genica, ciò significa poter osservare in modo più realistico come un vettore attraversa barriere fisiche e si distribuisce tra diversi organi con un dettaglio a livello della singola cellula.
In che modo questi sistemi potrebbero, nel concreto, evitare eventi avversi gravi nei pazienti o migliorare la selezione delle terapie?
Allo stato attuale, i sistemi microfisiologici possono essere utilizzati per valutare l’efficacia del trattamento e per identificare segnali di tossicità o infiammazione acuta prima della somministrazione del vettore nell’essere umano. Di fatto possono quindi essere implementati come filtro di sicurezza prima della fase clinica. Uno dei vantaggi del loro uso risiede nella possibilità concreta di testare in modo high throughput, ad alta efficienza, l’effetto di un vettore utilizzando cellule provenienti da diversi pazienti, catturando quindi la variabilità umana e permettendo una somministrazione e un dosaggio paziente-specifico. In prospettiva, questi sistemi potrebbero essere parte integrante di una pipeline traslazionale non solo per predire potenziali avversità ma anche per guidare attivamente lo sviluppo e la selezione del candidato terapeutico, riducendo quindi il rischio di portare avanti programmi che sembrano promettenti ma che poi falliscono per inefficacia o sicurezza.
Quanto siamo vicini a sostituire davvero gli animali con questi modelli, e quali sono ancora i limiti più importanti da superare? E si può parlare proprio di superamento del modello animale, o sarebbe più corretto parlare di complementarietà?
Al momento siamo più vicini a ridurne l’uso, in modo comunque importante, che a eliminarlo del tutto. Sebbene i sistemi microfisiologici abbiano già dimostrato una rilevanza clinica e siano ampiamente utilizzati per studi di screening, tossicità e meccanismi d’azione, ci sono ancora dei limiti importanti da superare. Per esempio, ricreare sistemi che permettano di catturare le interazioni multi-organo in modo stabile e a lungo termine, riprodurre risposte immunitarie sistemiche e assenza di microbioma. Inoltre, resta prioritario l’obiettivo di aumentare i livelli di standardizzazione tra laboratori e la riproducibilità negli studi basati su cellule staminali e organoidi. Per far fronte a quest’ultimo aspetto, la ISSCR (International Society for Stem Cell Research) ha rilasciato nel 2023 la linea guida Standards for the Ethical, Social, and Scientific Rigor of Stem Cell-Based Research per la standardizzazione dei modelli microfisiologici complessi. La tendenza alla riduzione nell’uso di animali grazie ai sistemi microfisiologici trova conferma nel FDA Modernization Act 2.0 statunitense, che ha rimosso dell’obbligo esclusivo dei test su animali per i test sui farmaci, aprendo ufficialmente la strada ai NAMs.
Guardando ai prossimi 5–10 anni, come immagina l’evoluzione della terapia genica e il ruolo che avranno questi NAMs nello sviluppo dei nuovi trattamenti?
Nel prossimo futuro i NAMs avranno un ruolo cruciale nell’offrire una terapia genica sempre più precisa, personalizzata e guidata attraverso l’integrazione di machine learning e AI in generale. La tendenza sarà quella di integrare vettori di nuova generazione progettati tramite evoluzione diretta o design computazionale, con l’obiettivo di individuare varianti AAV con tropismo selettivo per l’organo bersaglio, riducendo la biodistribuzione off-target. E poi di introdurre nuovi sistemi di editing genomico, come il base editing e il prime editing, che consentono correzioni puntiformi del DNA senza introdurre rotture a doppio filamento. E ancora, si prevede che l’integrazione con l’intelligenza artificiale permetterà di analizzare in modo molto dettagliato cosa succede nelle cellule, osservando come cambiano i geni, le proteine e il metabolismo – in gergo tecnico, un’integrazione tra AI e scienze omics, cioè le diverse discipline che studiano in modo globale e sistematico tutti i componenti biologici di un organismo. Tutto questo fornirà strumenti chiave per selezionare in tempi brevi i candidati migliori, per individuare una finestra terapeutica ottimale, e un profilo di sicurezza specifico per ogni paziente, riducendo così l’insorgenza di complicazioni in fase clinica. In sintesi, i NAMs avranno un ruolo centrale durante tutte le fasi dello sviluppo clinico, dalla progettazione dello studio alla validazione traslazionale.