Test degli effetti nocivi sugli embrioni in vitro in una fase precoce

I farmaci devono essere sicuri per le donne in attesa e per i loro bambini non ancora nati. Prima che le autorità ammettano un nuovo principio attivo, questo deve essere testato in esperimenti animali su roditori gravidi e, di norma, su conigli. Gli scienziati del Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea hanno ora sviluppato un test che consente di analizzare l'embriotossicità dei principi attivi al di fuori degli animali, in colture cellulari.

Il nuovo test non sostituisce ancora gli esperimenti sugli animali richiesti dalla legge per l'autorizzazione dei farmaci. Tuttavia, essendo semplice, rapido e poco costoso, i ricercatori potrebbero utilizzarlo in futuro per testare un gran numero di candidati farmaci nelle prime fasi dello sviluppo di un farmaco. Le sostanze che danneggiano gli embrioni verrebbero così riconosciute in una fase precoce e non si manifesterebbero solo nei test di embriotossicità sugli animali, che vengono effettuati molto più tardi nel processo di sviluppo dei farmaci a causa dei loro costi elevati. Il nuovo test evita quindi potenziali corse a vuoto, consentendo di risparmiare sui costi e di ridurre i test sugli animali.

Test di coltura cellulare con cellule staminali

Il nuovo metodo è un ulteriore sviluppo del test sulle cellule staminali embrionali, in cui le sostanze vengono testate in vitro sui cosiddetti "corpi embrioidi". I corpi embrioidi sono ammassi tridimensionali di cellule creati a partire da cellule staminali embrionali - in questo caso di topo - e sottoposti alle prime fasi dello sviluppo embrionale per un periodo di dieci giorni. Da esse non si sviluppano embrioni vitali.

Gli scienziati del gruppo del professor Andreas Hierlemann dell'ETH hanno ora esteso il test delle cellule staminali embrionali al tessuto epatico umano. "Esiste un'intera gamma di sostanze che non sono tossiche nella loro forma originale, ma che vengono convertite in sostanze nocive dal metabolismo umano, in particolare dal fegato", spiega Julia Boos, dottoranda del gruppo di Hierlemann e prima autrice dello studio pubblicato nella rivista pagina esternaScienza avanzata Studio pubblicato. A differenza del test convenzionale sulle cellule staminali embrionali, queste sostanze possono essere riconosciute con il nuovo test.

"Il corpo su un chip"

Il nuovo test si svolge dalla A alla Z su un singolo chip di coltura cellulare con diversi compartimenti. Contiene sfere di microtessuto prodotte da cellule di fegato umano dall'ETH Insphero, nonché corpi embrionali cresciuti da cellule di topo. Il microtessuto epatico e i corpi embrioidi hanno un diametro di circa mezzo millimetro e si trovano in compartimenti diversi, collegati tra loro da microcanali. Questi microcanali assicurano uno scambio costante di fluidi tra i diversi compartimenti cellulari.

"Siamo i primi a combinare direttamente cellule epatiche e cellule embrionali in un approccio body-on-a-chip", spiega Boos. Proprio come nel corpo di una donna incinta i processi metabolici del fegato e quelli dell'embrione in crescita sono collegati dalla circolazione sanguigna, esiste un'interazione permanente tra le cellule epatiche e quelle embrionali nel loro sistema interconnesso. "I metaboliti prodotti dalle cellule epatiche hanno un effetto diretto sulle cellule embrionali, anche quelli stabili per pochi minuti", spiega Boos. Questo è un vantaggio rispetto ad altri test in vitro esistenti, in cui la metabolizzazione delle sostanze e l'effetto dei metaboliti sulle cellule embrionali vengono esaminati separatamente.

Un altro vantaggio del nuovo test: "A differenza degli esperimenti con topi gravidi vivi, le sostanze da analizzare nel nostro test sono metabolizzate da cellule epatiche umane, cioè nello stesso modo in cui lo saranno nel corpo umano in cui il farmaco verrà poi utilizzato", dice Boos. Questo è importante perché il metabolismo degli esseri umani e dei topi è diverso.

Ulteriore sviluppo di test ad alto rendimento

I ricercatori hanno dimostrato l'efficacia del nuovo test utilizzando la ciclofosfamide. Si tratta di un agente chemioterapico praticamente inefficace e innocuo nella sua forma di base, ma che viene convertito in una sostanza citotossica nel fegato. Gli scienziati hanno testato la ciclofosfamide nel test combinato fegato-corpi embrionali da un lato e in un test in cui erano presenti solo corpi embrionali ma non microtessuti epatici dall'altro. È stato dimostrato che lo sviluppo dei corpi embrioidi in combinazione con il tessuto epatico è già compromesso a una concentrazione di ciclofosfamide quattro volte inferiore.