Gli scienziati di Harvard combinano tecnologie d’organo su chip e cellule staminali per creare un potente strumento per la ricerca sul diabete e il trapianto di cellule beta.
Combinando due potenti tecnologie, gli scienziati stanno portando la ricerca sul diabete tipo 1 a un livello completamente nuovo. In uno studio condotto da Kevin Kit Parker dell’Università di Harvard , la microfluidica e le cellule beta umane che producono insulina sono state integrate in un “isolotto su un chip”. Il nuovo dispositivo rende più semplice per gli scienziati lo screening delle cellule produttrici di insulina prima di trapiantarle in un paziente, testando così i composti stimolanti l’insulina per studiare la biologia fondamentale del diabete.
Il design dell’Islet-on-a-Chip è stato ispirato dal pancreas umano, in cui isole di cellule (“isole”) ricevono un flusso continuo di informazioni sui livelli di glucosio dal flusso sanguigno e regolano la loro produzione di insulina secondo necessità.
“Se vogliamo curare il diabete, dobbiamo ripristinare la capacità di una persona di produrre e distribuire insulina”, ha spiegato Douglas Melton, professore di biologia delle cellule staminali e rigenerativa dell’Università di Xander e condirettore dell’Harvard Stem Cell Institute (HSCI). “Le cellule beta, che sono prodotte nel pancreas, hanno il compito di misurare lo zucchero e secernere insulina, e normalmente lo fanno molto bene. Ma nei pazienti diabetici queste cellule non possono funzionare correttamente. Ora, possiamo usare le cellule staminali per cellule beta sane per loro. Ma come tutti i trapianti, c’è molto da fare per assicurarsi che possano funzionare in sicurezza “.
Prima di trapiantare le cellule beta in un paziente, devono essere testate per vedere se funzionano correttamente. L’attuale metodo per farlo si basa sulla tecnologia degli anni ’70: dare alle cellule glucosio per ottenere una risposta all’insulina, raccogliere campioni, aggiungere reagenti e prendere misurazioni per vedere quanta insulina è presente in ognuna. Il processo manuale richiede così tanto tempo per essere eseguito e interpretare che molti clinici rinunciano del tutto.
Il nuovo dispositivo automatizzato in miniatura offre risultati in tempo reale, che possono accelerare il processo decisionale clinico.
“Il nostro dispositivo organizza isolotti in linee separate, fornisce simultaneamente un impulso di glucosio a ciascuno e rileva la quantità di insulina prodotta”, ha dichiarato Aaron Glieberman, co-primo autore del documento e Ph.D. nel laboratorio Parker. “Associa la stimolazione del glucosio e il rilevamento dell’insulina nello stesso percorso di flusso, in modo da poter fornire rapidamente al medico informazioni fruibili. Il design utilizza anche materiali adatti alla produzione su larga scala, questo significa che più persone saranno in grado di usarlo. “
“L’Islet-on-a-Chip ci consente di monitorare il modo in cui le cellule isolette donate o prodotte rilasciano insulina, come le cellule del corpo fanno”, ha affermato Parker, professore di bioingegneria e fisica applicata della famiglia Tarr ad Harvard. “Ciò significa che possiamo fare un serio passo avanti verso le terapie cellulari per il diabete. Il dispositivo semplifica lo screening dei farmaci che stimolano la secrezione di insulina, testano le cellule beta derivate dalle cellule staminali e studiano la biologia fondamentale delle isole. Non esiste altro controllo di qualità tecnologia là fuori che può farlo in modo rapido e preciso “.
L’ufficio di sviluppo tecnologico di Harvard ha depositato domande di brevetto relative a questa tecnologia e sta esplorando attivamente le opportunità di commercializzazione.
“È stato entusiasmante vedere il metodo del nostro laboratorio per misurare la funzione delle isole portato da singole isole a gruppi di isole molto più grandi e incorporato in un dispositivo che può essere ampiamente utilizzato nella comunità”, ha affermato il co-autore Michael Roper della Florida State University , il cui laboratorio si concentra sulla biologia fondamentale degli isolotti. “Ora abbiamo un dispositivo che integra la consegna di glucosio, il posizionamento e la cattura delle isole, la miscelazione dei reagenti e il rilevamento dell’insulina e richiede molti meno reagenti. Quindi i laboratori possono usarlo per fare più esperimenti allo stesso costo, usando un metodo molto più breve e facile processi.”
“Il mio interesse principale è per il diabete stesso – tutti gli adulti della mia famiglia hanno il diabete di tipo 1, e questa è la ragione per cui ho perseguito la scienza come carriera”, ha detto Benjamin Pope, co-primo autore dello studio e post-dottorato in il laboratorio Parker. “Sono davvero entusiasta di vedere questa tecnologia utilizzata nella ricerca sul diabete e nello screening dei trapianti, perché consente terapie cellulari per il diabete.
“È anche una bella integrazione di molte tecnologie diverse”, ha aggiunto Pope. “La fisica dietro l’intrappolamento automatico delle isole, la microfluidica, il sensore in tempo reale e la biochimica che sta alla base, i componenti elettronici e di acquisizione dei dati – persino il software. Il dispositivo generale e il sistema operativo – integrando così tante cose da campi diversi, Ho imparato un sacco nel processo “.
Oltre alla sua applicazione al diabete, il dispositivo promette di essere utilizzato con altri tessuti e organi. “Siamo in grado di modificare la tecnologia di base per rilevare la funzione in una gamma di sistemi microfisiologici”, ha aggiunto Glieberman. “Con la capacità di rilevare continuamente le secrezioni cellulari, vogliamo semplificare l’esplorazione del modo in cui le cellule usano i segnali proteici per comunicare. Questa tecnologia potrebbe eventualmente sviluppare nuove conoscenze sulle metriche dinamiche della salute sia per la diagnostica che per il trattamento.”