Mimerà esattamente il funzionamento del tessuto cardiaco, composto da cardiomiociti, le cellule muscolari cardiache, che potranno maturare fino ad eguagliare le cellule di un cuore adulto; sarà più semplice dei sistemi esistenti e quindi più facile da riprodurre, e sarà ecosostenibile. È una piattaforma che incorpora le tecnologie più avanzate nel campo della bioingegneria, progettata per creare modelli in vitro di tessuto cardiaco, ed è il “cuore” del progetto EMPATIC del Politecnico di Torino. Il progetto ha ottenuto il contributo ERC-2023-PoC da parte dello European Research Council della Commissione Europea per la realizzazione di “proof of concept”, ossia prototipi per dimostrare il potenziale di questa tecnologia. Il progetto è guidato da Valeria Chiono, Professoressa di Ingegneria per la Medicina Rigenerativa del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale (DIMEAS) del Politecnico di Torino, con il supporto del Dipartimento di Elettronica – DET.

La tecnologia attuale per riprodurre le funzionalità del cuore è troppo complessa

“Negli ultimi anni, abbiamo assistito a notevoli avanzamenti nel campo della ricerca cardiaca, con la creazione di modelli in vitro che utilizzano cardiomiociti umani”, spiega Valeria Chiono. “Questi progressi hanno permesso lo sviluppo di modelli bi e tridimensionali, inclusi organoidi e organi su chip, che simulano il tessuto cardiaco. Tuttavia, i cardiomiociti che siamo in grado di coltivare in laboratorio tendono a replicare le caratteristiche di un cuore in fase fetale o appena nato, rendendoli meno idonei per studiare patologie cardiache che si manifestano più avanti nella vita: una lacuna nella ricerca relativa alle malattie cardiache durante l’età adulta”. Per affrontare questo problema, spiega la Professoressa del Politecnico di Torino, la ricerca ha cercato di integrare materiali avanzati, aggiungendo stimoli meccanici ed elettrici, per promuovere la maturazione dei cardiomiociti. Questi approcci da un lato hanno migliorato la maturazione delle cellule, “ma la loro complessità richiede un’ampia conoscenza tecnica e scientifica, rendendo difficile la loro realizzazione e la loro replicazione su larga scala”.

Semplificare, per rendere gli strumenti innovativi accessibili

Il progetto EMPATIC mira a semplificare questo processo. L’obiettivo è sviluppare una piattaforma multi-pozzetto che, pur incorporando elementi ingegneristici avanzati, sia meno esigente in termini di competenze specialistiche, comprese quelle ingegneristiche. “EMPATIC vuole rendere più accessibili gli strumenti per la ricerca sul tessuto cardiaco, facilitando così gli studi su malattie cardiache e la valutazione di terapie potenzialmente rivoluzionarie”. L’innovazione sta nell’uso combinato di segnali biochimici e biologici, un approccio che mira a ottimizzare la maturazione e la funzionalità dei modelli di tessuto cardiaco. Questo non solo potenzia la ricerca preclinica fornendo strumenti più accurati e rappresentativi, ma offre anche una metodologia più semplice e versatile che può essere adottata con facilità dai ricercatori.

“Uno degli aspetti più innovativi di questa piattaforma è l’inclusione preconfigurata di scaffold, ovvero strutture che supportano la crescita e l’organizzazione delle cellule, eliminando la necessità per i ricercatori di svilupparli da zero. Di conseguenza, il processo sperimentale diventa più diretto: i ricercatori devono semplicemente inoculare le cellule sullo scaffold seguendo un protocollo definito e applicare stimolazioni elettriche secondo istruzioni specifiche. La piattaforma integra anche un sistema per l’analisi e l’interpretazione dei dati raccolti in seguito alle stimolazioni, semplificando ulteriormente il lavoro dei ricercatori”.

Un sistema efficace per testare la cardio-tossicità delle terapie

Uno dei principali ostacoli allo sviluppo di nuovi trattamenti è la limitata capacità di prevedere la cardio-tossicità delle terapie farmacologiche nelle fasi precliniche. Tradizionalmente, questo problema emerge solo quando i farmaci sono testati sui pazienti, il che rappresenta un rischio significativo per la sicurezza e l’efficacia dei trattamenti. “Il fulcro di questa piattaforma di ricerca è proprio il suo impiego in ambito preclinico, dove funge da modello in vitro del tessuto cardiaco umano adulto. Questa caratteristica la rende uno strumento prezioso per testare in modo sicuro l’effetto dei trattamenti e la loro potenziale cardio-tossicità prima dell’applicazione clinica, migliorando così le fasi iniziali dello sviluppo terapeutico, riducendo anche l’utilizzo di modelli animali”.

La piattaforma del Politecnico di Torino potrebbe essere utilizzata nell’ambito dello sviluppo di terapie per la rigenerazione cardiaca, come l’utilizzo di terapie geniche e di approcci biogenetici per trattare l’infarto cardiaco.

La piattaforma è anche ecosostenibile e si compone e scompone come un Lego

Uno degli aspetti più promettenti di questa piattaforma è la sua sostenibilità, evidenziata dall’alto tasso di riutilizzo dei suoi componenti, che raggiunge l’80%, per ridurre il costo e l’impatto ambientale associati alla produzione di nuovi componenti.

“La piattaforma è concepita come un sistema modulare, paragonabile a un set di Lego, in cui vari elementi possono essere combinati, disassemblati, lavati e sterilizzati per l’uso. Questa modularità consente una personalizzazione senza precedenti degli esperimenti, adattandosi facilmente sia alle esigenze dei ricercatori accademici che a quelle delle industrie farmaceutiche”.

Uno strumento potenzialmente applicabile anche per lo studio sui tessuti muscoloscheletrici

Oltre alla sua applicazione diretta nello studio del tessuto cardiaco, la piattaforma si distingue per la sua versatilità. “È progettata per essere adattabile a vari tipi di ricerche biomediche, dimostrando un potenziale ben oltre gli studi cardiaci. Questa flessibilità la rende particolarmente utile anche per la ricerca sui tessuti muscoloscheletrici, dove il processo di maturazione dei tessuti può essere esplorato e compreso meglio”.

Il progetto partirà ufficialmente a metà del 2024 e svilupperà i proof of concept entro la fine del 2025. Valeria Chiono e il suo Team multidisciplinare mirano ad ottenere un brevetto e a creare un spinoff per mettere in commercio la piattaforma e renderla disponibile a laboratori, aziende farmaceutiche e biotech.