High-Throughput Morphological Profiling of Patient-Derived Human Liver Organoids for Hepatotoxicity Hazard Identification and Compound Prioritization

Il fegato è l'impianto di lavorazione chimica del corpo, che filtra le tossine dal sangue e scompone i farmaci affinché possano essere utilizzati o smaltiti in modo sicuro. Poiché questo organo lavora così duramente, è anche il sito più comune di danni causati da nuovi farmaci. Quando un medicinale danneggia il fegato, può portare a gravi malattie o costringere un trattamento promettente a essere ritirato dal mercato, un fallimento che costa anni di ricerca e lascia i pazienti senza cure. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di prevedere quali farmaci avrebbero danneggiato il fegato prima ancora che raggiungessero un paziente umano. Si sono affidati a test utilizzando cellule animali o semplici cellule umane coltivate in strati piatti su plastica. Tuttavia, questi vecchi modelli spesso mancano il bersaglio perché mancano della complessa struttura tridimensionale di un vero fegato e della specifica costituzione genetica di diverse persone. Di conseguenza, molti farmaci che sembrano sicuri in laboratorio si rivelano pericolosi in clinica, mentre altri che potrebbero essere stati sicuri vengono scartati troppo presto.

Un team di ricercatori dell'Università del Michigan ha sviluppato un nuovo modo per testare la sicurezza dei farmaci che colma questo divario. Invece di utilizzare cellule piatte o animali, hanno fatto crescere piccoli cluster tridimensionali di tessuto epatico umano, noti come organoidi, a partire da cellule staminali prelevate da pazienti reali. Questi minuscoli tessuti contengono molteplici tipi di cellule epatiche che lavorano insieme, proprio come una versione in miniatura dell'organo stesso. I ricercatori hanno poi esposto questi tessuti viventi a una vasta gamma di farmaci e hanno utilizzato telecamere avanzate per scattare migliaia di foto dettagliate di come le cellule apparivano e si comportavano. Addestrando un computer a riconoscere cambiamenti sottili nella forma e nella struttura delle cellule, il team ha creato un sistema in grado di individuare segni precoci di danno epatico molto prima che le cellule muoiano effettivamente. Questo approccio offre un modo più simile all'uomo per testare i medicinali, potenzialmente intercettando effetti collaterali pericolosi in modo più precoce e accurato rispetto al passato.

Per costruire questo sistema, gli scienziati hanno iniziato raccogliendo campioni di sangue da sette individui: sei pazienti che avevano precedentemente sofferto di lesioni epatiche indotte da farmaci e una persona sana senza precedenti problemi epatici. Hanno riprogrammato le cellule da questi campioni di sangue in cellule staminali, che possono trasformarsi in qualsiasi tipo di tessuto del corpo. Queste cellule staminali sono state poi guidate a crescere in organoidi epatici. Poiché gli organoidi provenivano da persone reali, portavano con sé l'impronta genetica unica dei loro donatori. Ciò significava che i ricercatori potevano vedere come i fegati di diverse persone potessero reagire allo stesso farmaco, catturando la naturale variazione presente nella popolazione umana. Il team ha fatto crescere questi organoidi, li ha scomposti in singole cellule e li ha posizionati in minuscoli pozzetti su una piastra, dove sono stati trattati con 74 farmaci diversi. Alcuni di questi farmaci erano noti per causare danni al fegato, mentre altri erano noti per essere sicuri.

Dopo tre giorni di esposizione, i ricercatori hanno fissato le cellule e le hanno colorate con speciali coloranti fluorescenti che evidenziavano parti specifiche della cellula, come il nucleo, i mitocondri produttori di energia e le goccioline di grasso. Hanno poi utilizzato un microscopio ad alta potenza per catturare immagini dettagliate di migliaia di cellule in ogni pozzetto. L'innovazione chiave non era solo scattare le foto, ma come le analizzavano. Invece di contare semplicemente quante cellule fossero vive o morte, hanno utilizzato un programma informatico per misurare centinaia di piccoli dettagli sulle forme e sulle texture delle cellule. Il computer ha imparato a riconoscere schemi specifici che segnalavano stress o lesioni, come cambiamenti nella forma del nucleo o l'accumulo di grasso. Questo metodo ha permesso loro di rilevare segnali di avvertimento sottili che i test tradizionali, che cercano solo la morte cellulare, avrebbero mancato.

I risultati hanno dimostrato che questo nuovo metodo era altamente efficace nel distinguere tra farmaci pericolosi e sicuri. Quando il computer analizzava le immagini degli organoidi, identificava correttamente i farmaci nocivi con un alto grado di precisione, molto meglio dei test che misurano solo la sopravvivenza cellulare. Il sistema era così sensibile da poter individuare segni precoci di problemi anche quando le cellule erano ancora vive. Interessantemente, i ricercatori hanno scoperto che l'utilizzo di una combinazione di organoidi di tutti i sette donatori forniva i risultati migliori. Sebbene le cellule epatiche di ogni donatore reagissero leggermente diversamente, mediare le loro risposte creava una rete di sicurezza più affidabile rispetto al ricorso a un solo tipo di cellula. Ciò suggerisce che testare i farmaci su un panel diversificato di tessuti umani sia crucialo per intercettare la vasta gamma di modi in cui le persone potrebbero reagire a un medicinale.

Lo studio ha anche rivelato che la reazione del fegato ai farmaci non è sempre la stessa per tutti. Alcuni farmaci causavano cambiamenti simili in tutti gli organoidi, mentre altri innescavano risposte molto diverse a seconda del donatore. Ad esempio, un farmaco causava un massiccio spostamento nel modo in cui le cellule apparivano in alcuni donatori, ma non aveva quasi alcun effetto in altri. Questa variabilità rispecchia ciò che accade nel mondo reale, dove alcune persone si ammalano a causa di un farmaco mentre altre no. Misurando esattamente quanto farmaco fosse necessario per causare questi cambiamenti, i ricercatori sono riusciti a classificare i farmaci in base al loro potenziale di danno. Hanno scoperto che, per molti farmaci, la quantità necessaria per causare danni in laboratorio era vicina ai livelli riscontrati nel sangue umano, suggerendo che il test sia pertinente all'esposizione nel mondo reale.

Una delle scoperte più significative è stata che il sistema poteva rilevare tipi specifici di lesione epatica in base ai pattern visivi osservati. Il computer ha raggruppato i farmaci in cluster basandosi su come cambiavano le cellule. Un gruppo di farmaci faceva apparire le cellule come se stessero lottando con la produzione di energia, mentre un altro gruppo faceva sì che le cellule si riempissero di grasso o cambiassero la struttura della loro membrana. Questa capacità di vedere la "firma" del danno aiuta gli scienziati a capire non solo che un farmaco è tossico, ma come stia danneggiando il fegato. In un caso degno di nota, un farmaco chiamato sulindac, che era stato precedentemente ignorato dal sistema, è stato correttamente identificato come pericoloso quando i ricercatori hanno aggiunto una piccola quantità di un segnale infiammatorio al test. Ciò ha dimostrato che il sistema può essere perfezionato per intercettare farmaci che causano lesioni solo in condizioni specifiche, come quando il corpo è già infiammato.

Nonostante il suo successo, i ricercatori sono stati attenti a sottolineare i limiti del loro lavoro. Il sistema è progettato per segnalare potenziali pericoli e classificare i farmaci in base al rischio, non per prevedere esattamente chi si ammalerà o quando. Funziona meglio come strumento di allerta precoce per aiutare gli scienziati a decidere quali farmaci far procedere e quali scartare. Lo studio ha anche evidenziato che alcuni farmaci noti per causare rare lesioni epatiche legate al sistema immunitario erano ancora difficili da rilevare perché gli organoidi mancano del sistema immunitario completo presente in un corpo umano. Tuttavia, la capacità di aggiungere segnali infiammatori al test suggerisce una strada per migliorare ulteriormente il sistema.

In definitiva, questa ricerca dimostra che far crescere piccoli tessuti epatici derivati dai pazienti e osservarli con telecamere avanzate può fornire un quadro molto più chiaro della sicurezza dei farmaci rispetto ai metodi più vecchi. Catturando i cambiamenti sottili e precoci nella struttura cellulare e tenendo conto delle differenze naturali tra le persone, questo approccio offre un nuovo modo potente per proteggere i pazienti dalle lesioni epatiche. Rappresenta un passaggio dal chiedere semplicemente se un farmaco uccide le cellule al chiedere come le cambia, fornendo una comprensione più profonda e rilevante per l'uomo di come i medicinali interagiscono con i nostri corpi. Mentre lo sviluppo dei farmaci si sposta sempre più lontano dai test sugli animali, strumenti come questo saranno essenziali per garantire che le nuove terapie siano sia efficaci che sicure per la diversificata popolazione che intendono servire.