Un sistema di bioreattori capace di simulare il flusso e la pressione del sangue ha permesso di ricreare in laboratorio alcune condizioni chiave dell’ipertensione. Il modello distingue gli effetti meccanici della pressione da quelli ormonali, mostrando come insieme amplifichino l’infiammazione dell’endotelio
Secondo l’Organizzazione mondiale della sanità, l’ipertensione è una delle principali cause di morte a livello globale. Però in genere è anche asintomatica e, per quanto rilevarla non sia complicato, per molte persone rimane non diagnosticata, tanto che a volte se ne parla come di un “killer silenzioso”. In linea generale, le caratteristiche di questa condizione sono semplici (la pressione del sangue nelle arterie è troppo alta) e i fattori di rischio ben noti (genetica, presenza di condizioni come obesità o diabete, scarsa attività fisica eccetera). Negli ultimi anni, però, la ricerca scientifica ha messo in luce anche aspetti un tempo meno noti dell’ipertensione: tra questi, il ruolo dell’infiammazione dell’endotelio, cioè il rivestimento delle arterie, nello sviluppo della condizione.
Studiare i meccanismi fisiopatologici dell’ipertensione non è semplice. I modelli animali usati tradizionalmente sono affidabili e riproducibili, ma anche estremamente complessi e con moltissime variabili che vanno tenute in considerazione. D’altro canto, le colture cellulari tradizionali, seppur controllabili, sono fin troppo semplici per rappresentare una condizione così intricata. È su questo problema che si concentra uno studio recentemente pubblicato su Frontiers in Physiology e condotto da un gruppo di ricerca italiano, che presenta un modello in vitro avanzato per cercare di colmare il divario fra la complessità del modello animale e l’estrema semplicità delle tradizionali colture cellulari.
Un bioreattore per riprodurre il sistema circolatorio in vitro
L’innovazione biotecnologica su cui si basa il nuovo studio è rappresentata da bioreattori in grado di simulare alcune condizioni emodinamiche del sistema circolatorio. Più precisamente, si tratta di un modello applicato inizialmente in ricerca di base, del quale abbiamo parlato qualche anno fa, quando ha ricevuto il Global 3Rs Award dell’AAALAC International. In breve, si tratta di una pompa peristaltica che riproduce in modo semplificato la funzionalità cardiaca, e dalla quale fuoriescono sottili tubi che simulano i vasi sanguigni. Ciascuno di questi tubi è poi collegato ai bioreattori veri e propri, piccole camere sterili dove possono essere coltivate cellule oppure organoidi, in collegamento tra loro e connesse al dispositivo di perfusione. Questo circuito permette quindi eventualmente anche di simulare il dialogo che si instaura tra i diversi tessuti di uno stesso organismo.
Ipertensione: effetti meccanici ed effetti chimici
Il nuovo studio è stato condotto da Elena Raschi, Caterina Bodio, Maria Orietta Borghi e Laura Calvillo, ricercatrici dell’Istituto Auxologico Italiano, e da Chiara Brullo, professoressa dell’Università di Genova. L’obiettivo era riconoscere gli effetti dell’ipertensione, distinguendo quelli conseguenti a danni meccanici da quelli dovuti a effetti chimici.
Nell’organismo vivente, infatti, non è possibile discriminare quali risposte siano dovute al mero aumento meccanico della pressione e quali invece siano dovute al segnale chimico principale, l’angiotensina II, un ormone che contribuisce ad aumentare la pressione e l’infiammazione endoteliale, con molteplici effetti a livello sistemico. Riuscire a capire come i singoli componenti che causano l’ipertensione agiscano sulle cellule endoteliali può contribuire a individuare meccanismi d’azione non ancora noti, individuare biomarcatori utili per la diagnosi e, potenzialmente, trovare nuove terapie.
Il team di ricerca ha quindi coltivato nel bioreattore l’endotelio vascolare umano, il primo tessuto interessato dall’ipertensione, e lo ha esposto a due stimoli ipertensivi: l’ angiotensina II e un dispositivo che aumentava la pressione del fluido in circolo. Poi sono stati analizzati come parametri di risposta i livelli di alcune citochine infiammatorie e di altri marcatori noti per il loro ruolo nell’ipertensione.
Effetto singolo, effetti sinergici
Quando è stata valutata la risposta delle cellule ai due effetti combinati, cioè sia applicando l’aumento di pressione sia somministrando angiotensina II, come avviene nell’organismo vivente, la risposta endoteliale è stata più forte rispetto a quella ottenuta dai singoli stimoli ipertensivi. In particolare, aumentavano i segnali intracellulari e la produzione di molecole associate all’infiammazione, suggerendo come stimoli meccanici e chimici cooperino nel danno endoteliale da ipertensione.
Ma anche quando i due stimoli ipertensivi sono stati applicati singolarmente hanno prodotto interessanti risposte cellulari. Infatti alcune risposte sono state modulate in modo diverso dai due stress: per esempio, le citochine infiammatorie aumentavano in risposta all’angiotensina II, ma diminuivano in risposta al solo aumento meccanico della pressione. Le ragioni non sono del tutto note, ma aprono a scenari che meritano ulteriori studi di approfondimento.
Globalmente, quindi, il modello in vitro si è dimostrato valido per lo studio dei meccanismi dell’ipertensione. Ma con alcune note importanti – perché, per quanto sofisticato, anche questo è pur sempre una semplificazione rispetto all’organismo vivente. Uno degli elementi più importanti in questo senso è la mancanza di un sistema immunitario: «Alcune molecole associate all’infiammazione, in particolare l’interleuchina-6, aumentava molto meno nel nostro modello rispetto a quanto si osserva negli animali», spiega Laura Calvillo, principal investigator dello studio. «Questo perché in un organismo vivente questa citochina è prodotta anche dalle cellule immunitarie, assenti invece nel nostro bioreattore. In effetti, uno degli obiettivi futuri sarà proprio riuscire a integrare anche la componente immunitaria».
Non è solo “pressione alta”
Di certo, il nuovo modello aiuta a indagare l’ipertensione tenendone con in considerazione la complessità, il suo andare oltre la “pressione alta” per chiamare invece in causa anche i processi infiammatori legati a stress meccanici e ormonali. Riuscire a riprodurli entrambi è un passo importante per capire meglio la condizione e, di conseguenza, indirizzare lo sviluppo di terapie mirate. Per di più, consente di farlo riducendo la necessità di ricorrere agli animali, confermando come i bioreattori si inseriscano in modo ottimale nel principio delle 3R.
«L’evoluzione di modelli in vitro tridimensionali e in grado di mettere in comunicazione tra di loro tessuti derivati da organi diversi (per esempio rene e cuore) è molto promettente anche per lo studio di altre patologie cardiovascolari, come l’infarto, e dell’effetto di nuovi farmaci, riducendo la necessità di modelli animali», concludono Elena Raschi, Chiara Brullo, Caterina Bodio e Maria Orietta Borghi.
Insomma, se tutt’oggi non possiamo prescindere del tutto dall’uso degli animali, la tecnologia e la ricerca bioingegneristica e informatica stanno progredendo con grande rapidità rapidità, consentendo sempre più di ridurlo in modo significativo. E questi avanzamenti tecnologici – dall’intelligenza artificiale ai i modelli in silico, dall’aumentata potenza del calcolo statistico alla tecnologia degli organ-on-a-chip come il modello presentato in questo lavoro – portano anche, e porteranno sempre più, vantaggi alla biomedicina, alla ricerca in generale e di conseguenza alla società.