Un micro osservatorio che contiene tutto il mix cellulare presente nel midollo del paziente, non solo le cellule tumorali della leucemia. Attraverso la tecnologia della «leucemia on chip» un team multidisciplinare americano è riuscito a ricreare scenari clinici comuni osservati nei pazienti sottoposti a terapia cellulare CAR-T: remissione completa, resistenza al trattamento e risposta iniziale seguita da recidiva. Si propone come uno strumento avanzato per studiare le risposte diversificate della terapia CAR-T alla leucemia prima che il paziente sia trattato, superando i limiti dei test convenzionali.

Lo studio, pubblicato su Nature Biomedical Engineering, ha rivelato che le cellule CAR-T di «quarta generazione» hanno performato meglio delle versioni standard, specialmente a dosi più basse. E che le cellule immunitarie ingegnerizzate attivano altre cellule immunitarie non direttamente bersagliate dalla terapia: un “effetto spettatore” che può contribuire sia all’efficacia del trattamento che agli effetti collaterali.

Una tecnologia innovativa che è sempre più agevolata anche dai regolatori, come l’FDA, in particolare per le fasi precliniche delle sperimentazioni.

Paolo Netti, IIT: In mezzo millimetro tutto il microambiente del midollo del paziente

«L’entità fondamentale dei nostri tessuti è la cellula», spiega Paolo Netti, Principal Investigator presso l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) e Direttore del Center for Advanced Biomaterials for Healthcare, nonché professore alla Federico II di Napoli. «Una cellula ha dimensioni intorno ai 20 micron. In uno spazio di 200 micron, che equivale a circa mezzo millimetro, possiamo ricreare un’unità fondamentale che campiona tutte le condizioni del microambiente nativo».

Il dispositivo ricrea tre regioni critiche del midollo osseo dove si sviluppa la leucemia: i vasi sanguigni, la cavità del midollo circostante e il rivestimento osseo esterno. Quando viene popolato con cellule del midollo osseo del paziente, il sistema inizia ad auto-organizzarsi, con le cellule che producono autonomamente le proprie proteine strutturali come collagene, fibronectina e laminina.

«Stiamo portando il midollo osseo in un’unità fondamentale di mezzo millimetro», chiarisce Netti. «Uno spazio che per la cellula è molto ampio, per noi molto piccolo, ma che contiene più unità cellulari. È possibile, in teoria, ricreare qualunque tipo di tessuto o organo in quelle dimensioni spaziali. Il mezzo millimetro è un’unità fondamentale. Sotto questa misura sarebbe difficile ma quella è più o meno la possibilità di ricreare i contesti tissutali».

Cellule native in miniatura: ciò che accade nell’organo si può vedere in pochi millimetri

Le cellule che vivono in questo mezzo millimetro rigenerato in vitro sono, come sottolinea Netti, «omologhe alle cellule native, nel senso che sentono lo stesso contesto, quindi non sono in condizioni di cattività, ma sono coltivate in una condizione nativa e rispondono come le cellule native». Questo è il principio fondamentale che permette al dispositivo di funzionare: «Ciò che vediamo in piccolo, lo vedremo anche in grande sul paziente».

Riprodotte anche le forze meccaniche che agiscono nelle cellule

«L’ambiente in cui vive una cellula non è fatto soltanto da contesti biochimici, cioè le molecole che popolano quell’ambiente, ma anche contesti biofisici, per esempio le forze meccaniche», sottolinea Netti. «Nella coltura tradizionale le forze meccaniche non vengono rappresentate in nessun modo. Il dispositivo riproduce in maniera artificiale ciò che naturalmente succede, incluse tutte le spinte meccaniche che avvengono nel nostro corpo». Questa capacità di ricreare sia il contesto biochimico che biofisico «diventa l’elemento importantissimo che aumenta la rilevanza e la potenza dei dati raccolti su questi dispositivi rispetto ai dati raccolti con metodi tradizionali».

Velocità di assemblaggio e di applicazione clinica per pazienti che non possono attendere

La tempistica rappresenta un elemento importante per l’applicazione clinica del dispositivo. «Sui tumori del sangue, la mezza giornata o la giornata sono tempi compatibili con la realizzazione del dispositivo», conferma Netti. «Ma se parliamo di tumori solidi, i tempi si allungano».

Questa rapidità di assemblaggio assume particolare rilevanza nel contesto delle terapie cellulari, dove i pazienti necessitano di decisioni cliniche veloci. «Abbiamo uno strumento per testare la risposta del paziente», spiega il ricercatore. «Possiamo interrogare in maniera molto rapida, nello spazio di un paio di giornate, un centinaio di protocolli che vengono testati sul paziente. In due giorni, tre giorni, potremo avere la selezione della via più efficace su quel paziente che stiamo trattando».

Durata e sostenibilità del sistema: in poche ore si vede come si comportano le CAR-T sulle cellule tumorali del paziente

Riguardo alla durata operativa del dispositivo, Netti chiarisce che «dipende dai vari tessuti, dai vari organi, dalle varie funzioni. Per i nostri tessuti, coltiviamo tessuti umani anche per quattro mesi. Il problema è che tessuto stiamo considerando e che vita media ha quel tessuto in vitro».

Nel caso specifico delle CAR-T, «le cellule hanno tempi di esaurimento che possono essere limitati nello spazio di qualche giorno. Il dispositivo dura quanto dura la cellula CAR-T attivata. Il midollo osseo può generare cellule immunocompetenti anche nello spazio di mesi». La questione dell’efficacia e della distruzione delle cellule tumorali si osserva «nello spazio di poche ore, perché c’è l’attacco della CAR-T alla cellula tumorale che è circolante. La CAR-T viene a contatto con la cellula tumorale direttamente nel flusso ematico, quindi c’è un contatto rapido e veloce».

Verso la medicina personalizzata

La leucemia-su-chip apre la strada a terapie di precisione dove i medici potranno testare le cellule tumorali di un paziente contro diversi design terapeutici prima di iniziare il trattamento, con l’identificazione del trattamento specifico più efficace per ciascun paziente.