Gli organi umani trasparenti potrebbero aiutare a creare quelli stampati in 3D artificiali?
Immagina di essere in grado di comprendere e vedere le complesse strutture degli organi umani a livello cellulare. Il 13 febbraio un gruppo di ricercatori tedeschi, presso l’ Istituto per la ricerca sull’ictus e la demenza (ISD) presso l’ospedale Ludwig Maximilian University di Monaco, ha pubblicato un documento basato su una nuova tecnologia che può rendere trasparenti gli organi umani intatti. Grazie all’imaging al microscopio sono in grado di visualizzare le strutture complesse sottostanti degli organi trasparenti a livello cellulare, risultando in mappe di organi che potrebbero fungere da modelli per le tecnologie di bioprinting 3D , nonché eventualmente contribuire alla creazione di organi artificiali su richiesta per i pazienti bisognosi. Inoltre, i ricercatori suggeriscono che gli sforzi di ingegneria dei tessuti richiedono mappe cellulari degli organi umani per replicare i tessuti e gli organi umani su larga scala mediante tecnologie emergenti tra cui la bioprinting 3D.
Tutto ciò è stato possibile grazie allo sviluppo di una nuova tecnologia denominata organo umano mediato da micelle piccole. SHANEL (Efficient Clearing and Labelling) che ha permesso ai ricercatori di tracciare un’architettura cellulare e molecolare di grandi organi intatti di mammiferi. Ali Ertürk, specialista in genetica e neuroscienze, direttore dell’Istituto di ingegneria dei tessuti e medicina rigenerativa (ITERM) presso il Centro di ricerca tedesco per la salute ambientale e anche ricercatore principale dell’ISD, ha pubblicato i risultati del progetto innovativo che ha utilizzato la tecnologia di imaging microscopico per rivelare strutture complesse sottostanti di organi umani rendendole trasparenti nella rivista scientifica Cell .
Insieme a 22 colleghi di ricerca, tra cui Shan Zhao, Ingo Bechmann , Marco Duering , Oliver Bruns, Bjoern Menze, Victor Puelles , Jan Lipfert ed Eckhard Wolf, hanno creato SHANEL, una tecnologia robusta e imparziale basata su un nuovo approccio di permeabilizzazione dei tessuti per eliminare ed etichettare rigidi organi umani e tracciare l’architettura cellulare e molecolare di grandi organi intatti di mammiferi. Il team di scienziati ha utilizzato il nuovo approccio per fornire un cervello umano e un rene umani intatti trasparenti ed eseguire istologia 3D con anticorpi e coloranti in profondità di centimetri. In tal modo, rivelando i dettagli strutturali dell’occhio umano intatto, tiroide umana, rene umano e pancreas suino transgenico alla risoluzione cellulare.
Ertürk ha suggerito nel suo account Twitter che “mappare il cervello umano o altri organi è un passo avanti decisivo per decifrare il loro funzionamento nella salute e nella malattia”. Ha anche affermato la sua convinzione che “SHANEL può aiutare a mappare il cervello umano a livello molecolare e fornire schemi cellulari di organi umani per le tecnologie di bioprinting 3D per rendere nuovi organi su richiesta”.
Secondo le notizie diffuse dal Centro di ricerca tedesco per la salute ambientale, decifrare la complessità strutturale degli organi umani è sempre stata una grande sfida a causa della mancanza di tecnologie per immaginarli a livello cellulare. La pubblicazione suggerisce che i progressi nella mappatura degli organi umani intatti sono stati limitati, soprattutto nel decifrare la complessità anatomica, principalmente a causa della mancanza di tecnologie scalabili per l’immagine degli organi umani a livello cellulare. Sebbene la risonanza magnetica (MRI) possa fornire l’imaging longitudinale per gli organi umani, inclusi cervello e reni, manca di risoluzione cellulare.
I ricercatori hanno recentemente sviluppato sviluppi nella liberazione dei tessuti che ha permesso loro di ottenere prime viste cellulari di organi di topo trasparenti intatti in 3D . Nel lavoro precedente, i ricercatori hanno applicato una tecnica che rendeva i topi morti trasparenti e duri come la plastica, offrendo ai ricercatori una visione senza precedenti di come diversi tipi di cellule interagiscono nel corpo. L’approccio ha permesso agli scienziati di individuare specifici tessuti all’interno di un animale durante la scansione di tutto il corpo . Tuttavia, lavorare con organi umani non è stato lo stesso, dal momento che sono particolarmente rigidi a causa dell’accumulo di molecole insolubili incluso il collagene nei tessuti che sono cresciuti per anni o addirittura decenni.
Per superare la sfida non potevano usare i detergenti tradizionali che venivano usati per rendere trasparenti gli organi del topo perché non funzionavano su organi umani, in particolare quelli per adulti. Rivelano che dopo estenuanti prove, il team ha scoperto che un detergente chiamato CHAPS forma micelle più piccole che consentono la piena permeabilizzazione degli organi umani anziani e potrebbero fare piccoli buchi in tutti gli organi rigidi. CHAPS consente a soluzioni aggiuntive di viaggiare in profondità in organi umani spessi centimetri e convertirli in una struttura trasparente.
“Abbiamo dovuto cambiare completamente il nostro approccio e ricominciare da capo per trovare nuove sostanze chimiche che possano rendere trasparenti gli organi umani”, ha affermato Shan Zhao, uno studente di dottorato presso il Centro di ricerca tedesco per la salute ambientale e primo autore dello studio.
“I metodi di schiarimento dei tessuti funzionano bene sul tessuto dei roditori, ma non sono stati più poveri sugli organi umani rigidi e invecchiati. Rendere trasparenti tutti gli organi umani ha richiesto un nuovo approccio. Abbiamo identificato CHAPS, un detergente che può permeabilizzare gli organi umani anziani. Inoltre, abbiamo utilizzato l’acido acetico e il cloridrato di guanidina per migliorare la profondità dell’etichettatura molecolare “, ha continuato Ertürk nel suo account Twitter.
L’esperto ha anche suggerito che lavorare con LaVision BioTec , uno sviluppatore e produttore tedesco di soluzioni avanzate di microscopia per la ricerca in neuroscienze, immunologia, oncologia e biologia dello sviluppo, li ha aiutati a creare un prototipo di microscopio a foglio leggero con uno stadio esteso per l’immagine umana organi grandi come il rene (con una dimensione di 11,5 cm x 8,2 cm x 3 cm). Il team ha inoltre sviluppato algoritmi di deep learning per analizzare centinaia di milioni di cellule dalle scansioni cerebrali in modo rapido e preciso.
Inoltre, dopo aver reso trasparenti gli organi umani, ottenuti post mortem dal laboratorio di Bechmann presso l’ Università di Lipsia , in Germania, il team ha dovuto affrontare ulteriori sfide sia per l’imaging degli organi sia per l’analisi di una grande quantità di dati risultanti. In primo luogo, hanno sviluppato un nuovo microscopio a scansione laser con una grande capacità di conservazione del campione chiamato “Ultramicroscope Blaze” in collaborazione con Miltenyi Biotec . Questo microscopio ha consentito l’imaging di organi umani grandi quanto il rene. Successivamente, insieme a Bjoern Menze dell’Università tecnica di Monaco (TUM), il team ha sviluppato algoritmi di apprendimento profondo per essere in grado di analizzare centinaia di milioni di cellule in 3D.
Ertürk ha anche descritto alcune carenze che spera possano correggere in futuro: il metodo non può eliminare l’elevata autofluorescenza del tessuto umano; non ci sono ancora sistemi di microscopi a foglio leggero per la scansione del cervello umano; I pretrattamenti SHANEL funzionano solo con anticorpi parzialmente commercializzati per l’etichettatura dei tessuti profondi; il processo di etichettatura e di eliminazione richiede ancora mesi a seconda delle dimensioni degli organi; il loro algoritmo di apprendimento automatico è progettato solo per l’analisi dei corpi cellulari mentre sono necessari nuovi algoritmi per ogni struttura, come vasi e neuroni, e la migliore mappatura degli organi umani richiederebbe organi molto freschi, come gli organi poco dopo la morte, che sono molto difficili a venire.
Il lavoro è stato condotto presso l’ISD, il Centro tedesco per la salute ambientale, l’Università Ludwig-Maximilians di Monaco , TUM, e supportato da The German Research Foundation , NVIDIA , Fritz Thyssen Foundation , National Institutes of Health e The European Research Council (ERC).
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno tentato di creare metodi che possano rendere chiaro un intero organo permettendo lo studio delle strutture interne. Questa nuova tecnica produce mappe 3D di organi incredibilmente dettagliate, grazie a coloranti speciali aggiunti ad essi in uno stato ora trasparente, consentendo ai ricercatori di mappare reni, occhi e cervelli a livello cellulare, che un giorno potrebbero aiutare gli scienziati a stampare in 3D gli organi . Ad esempio, suggeriscono che la comprensione della struttura 3D del rene umano sarebbe molto preziosa per gli sforzi di ingegneria dei tessuti che mirano a generare reni artificiali utilizzando tecnologie di bioprinting 3D che richiedono la replica di conoscenze cellulari e molecolari dettagliate sul rene umano intatto.
Ora, grazie a SHANEL, guardare le mappe 3D cellulari di una luce condensata che viaggia end-to-end in un organo umano trasparente ha un livello di dettaglio così intricato che lo rende ultraterreno e in futuro potrebbe diventare un trampolino di lancio per gli scienziati che provano biofabricare gli organi.
“C’è un’enorme carenza di donatori di organi per centinaia di migliaia di persone”, ha indicato Ertürk. “Il tempo di attesa per i pazienti e i costi di trapianto sono un onere reale. Conoscenze dettagliate sulla struttura cellulare degli organi umani ci portano ad un importante passo in avanti verso la creazione di organi funzionali artificialmente su richiesta. “
