Un intestino artificiale capace di riprodurre in laboratorio non soltanto le caratteristiche delle cellule intestinali, ma anche i movimenti meccanici dell’intestino umano. È il risultato di una nuova ricerca che ha portato allo sviluppo di un dispositivo in grado di simulare la peristalsi, il movimento ritmico attraverso cui l’intestino svolge le proprie funzioni fisiologiche. La tecnologia potrebbe aprire nuove prospettive nello studio delle malattie intestinali, nella valutazione di nuovi farmaci e nella progressiva riduzione della sperimentazione animale.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Results in Engineering, è stato realizzato dal gruppo di biofabbricazione coordinato dal professor Giovanni Vozzi, del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e del Centro di Ricerca “E. Piaggio” dell’Università di Pisa, in collaborazione con il professor Yu Shrike Zhang del Brigham and Women’s Hospital e della Harvard Medical School di Boston.
Un intestino artificiale capace di riprodurre il movimento naturale
Il nuovo dispositivo è tecnicamente un bioreattore progettato per ricreare in laboratorio condizioni molto più simili a quelle presenti nell’intestino umano rispetto ai modelli tradizionali. Una delle caratteristiche principali riguarda la possibilità di mantenere vitali le cellule per almeno 28 giorni, permettendo così di osservare nel tempo il loro comportamento all’interno di un ambiente controllato.
Il sistema non si limita a fornire alle cellule un ambiente adatto alla crescita, ma riproduce anche la peristalsi, ovvero il movimento ritmico che caratterizza l’attività dell’intestino. Si tratta di un aspetto particolarmente importante perché le cellule intestinali non sono sottoposte soltanto a stimoli biochimici, ma anche a continue sollecitazioni meccaniche.
La presenza di questo movimento consente alle cellule di organizzarsi spontaneamente in strutture tridimensionali che ricordano i villi intestinali, le caratteristiche estroflessioni della parete dell’intestino coinvolte nei processi di assorbimento.
Perché la peristalsi è importante per studiare l’intestino
La possibilità di riprodurre il movimento dell’intestino rappresenta uno degli elementi più innovativi del nuovo modello. I sistemi utilizzati tradizionalmente, infatti, riescono a riprodurre soltanto alcuni degli aspetti dell’ambiente intestinale e possono quindi fornire una rappresentazione parziale dei processi che avvengono nell’organismo.
«Il nostro obiettivo era superare i limiti dei modelli oggi disponibili, che riproducono solo in parte l’ambiente intestinale – spiega Giovanni Vozzi – Abbiamo dimostrato che il movimento meccanico dell’intestino non è un semplice dettaglio fisiologico, ma un fattore essenziale per guidare lo sviluppo di un tessuto più realistico. Disporre di modelli che imitano fedelmente il comportamento dell’intestino umano significa poter studiare con maggiore precisione le malattie, valutare l’efficacia di nuovi farmaci e ridurre progressivamente il ricorso alla sperimentazione animale».
La ricerca evidenzia quindi come la componente meccanica possa avere un ruolo determinante nella costruzione di modelli intestinali sempre più fedeli alla fisiologia umana. Riprodurre in laboratorio anche le sollecitazioni fisiche a cui il tessuto è sottoposto quotidianamente può contribuire a ottenere risultati più rappresentativi dei processi che avvengono nell’organismo.
Un bioreattore modulare e dai costi contenuti
Il nuovo bioreattore è stato sviluppato nell’ambito di un progetto di dottorato e del progetto MICRO-B, finanziato attraverso il Bando per Dimostratori Tecnologici 2022 dell’Università di Pisa.
La tecnologia è stata inoltre brevettata grazie alla collaborazione con il gruppo della professoressa Emilia Ghelardi, del Dipartimento di Ricerca Traslazionale e delle Nuove Tecnologie in Medicina e Chirurgia dell’Ateneo.
Tra gli elementi che distinguono il dispositivo dai modelli attualmente disponibili ci sono i costi di realizzazione contenuti e un’architettura modulare, che ne favorisce la versatilità. Il sistema è inoltre progettato per riprodurre in maniera fisiologicamente realistica le sollecitazioni meccaniche a cui è sottoposta la parete intestinale.
Queste caratteristiche potrebbero rendere il modello uno strumento utile non soltanto per la ricerca di base, ma anche per lo sviluppo di sistemi sperimentali più complessi destinati allo studio dei meccanismi patologici e alla valutazione di possibili trattamenti.
Dallo studio della barriera intestinale all’asse microbiota-intestino-cuore-cervello
Le potenzialità del nuovo modello non si limitano allo studio della barriera intestinale. La struttura modulare del bioreattore permette infatti di ipotizzare il collegamento con altri modelli biologici, ampliando progressivamente la complessità dei sistemi ricostruiti in laboratorio.
Tra le possibilità già individuate dai ricercatori c’è l’integrazione con un modello del microbiota intestinale sviluppato dallo stesso gruppo di ricerca. L’obiettivo successivo sarà collegare il nuovo modello intestinale con altri tessuti per arrivare a ricostruire in laboratorio l’asse microbiota-intestino-cuore-cervello.
Lo studio di questo sistema potrebbe contribuire a comprendere meglio l’origine e l’evoluzione di alcune patologie, comprese le malattie cardiovascolari e quelle neurodegenerative. La possibilità di analizzare le interazioni tra diversi tessuti e sistemi biologici in un ambiente controllato rappresenta infatti una delle prospettive più interessanti della ricerca.
Una ricerca che guarda a nuovi modelli sperimentali
Lo sviluppo dell’intestino artificiale si inserisce in una più ampia linea di ricerca dedicata alla realizzazione di modelli biologici sempre più vicini alla fisiologia umana. L’obiettivo è superare progressivamente i limiti dei sistemi tradizionali, aumentando la capacità di riprodurre in laboratorio le condizioni che caratterizzano i tessuti nell’organismo.
Questa linea di ricerca è già al centro di due progetti di dottorato che coinvolgono, oltre a Vozzi e Ghelardi, la professoressa Vittoria Raffa, la professoressa Arianna Tavanti, entrambe dell’Università di Pisa, e il dottor Federico Vozzi dell’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR.
Il nuovo bioreattore rappresenta così un ulteriore passo verso modelli intestinali dinamici, capaci di integrare non soltanto la componente cellulare, ma anche quella meccanica. Una tecnologia che, nel prossimo futuro, potrebbe contribuire allo studio più accurato delle malattie, alla sperimentazione di nuovi farmaci e allo sviluppo di approcci di ricerca in grado di ridurre il ricorso ai test sugli animali.