Biotecnologia
Comprendere il corpo su scala micro, per trovare nuovi modi di combattere il cancro e per cercare di curare la distrofia muscolare di Duchenne.
Tyler Allen
Duke University Cancer Institute
Tyler Allen, 31 anni, ha sviluppato un sistema di imaging dal vivo che consente ai ricercatori di osservare come le cellule tumorali si muovono nell’organismo. Ciò potrebbe aprire la strada a trattamenti più efficaci contro il cancro.
Il lavoro di Allen affronta una delle principali sfide dell’oncologia: la maggior parte dei casi gravi di cancro si verifica dopo che un tumore si è diffuso, o metastatizzato. Tuttavia questo processo, in cui le singole cellule viaggiano nel sangue come automobili su un’autostrada, è poco conosciuto e difficile da individuare. In genere, i medici non sanno che un cancro si sta diffondendo finché non scoprono un secondo tumore. “A quel punto, la prognosi è spesso grave”, spiega Allen.
Il sistema che Allen ha sviluppato come dottorando presso la North Carolina State University, consente di visualizzare questa diffusione in tempo reale. Per costruirlo, il suo team ha iniettato cellule tumorali umane in un pesce zebra, modificato geneticamente per far brillare i suoi vasi sanguigni. Utilizzando un microscopio laser ad alta potenza, hanno osservato le cellule tumorali mentre viaggiavano e uscivano dal flusso sanguigno, prestando particolare attenzione a quelle che viaggiavano in gruppi, che presentano un rischio maggiore di formazione dei tumori.
I ricercatori pensavano che questi ammassi dovessero separarsi prima di lasciare un vaso sanguigno, ma il team di Allen ha osservato che alcuni sono riusciti a uscire intatti. Quelli che lo facevano, inoltre, avevano maggiori probabilità di formare un tumore nel tessuto vicino.
Allen continua a perfezionare la sua tecnica come borsista post-dottorato presso il Duke Cancer Institute. Le conoscenze che il suo approccio rende possibili potrebbero aiutare i ricercatori a sviluppare terapie che colpiscano le cellule tumorali prima che si diffondano.
di Jonathan W. Rosen
12 settembre 2023
Nicole Black
Desktop Metal
Non ci vuole molto per bucare un timpano. Infezioni e lesioni sono cause comuni, ma le perforazioni possono essere causate anche dalla variazione di pressione delle immersioni subacquee.
Ripararle non è sempre semplice, come Nicole Black, 30 anni, ha imparato quando ha incontrato due otorini mentre si stava laureando in scienze ingegneristiche ad Harvard. Le procedure di riparazione del timpano in genere prevedono il taglio di un po’ di tessuto o di cartilagine da un’altra parte della testa e il suo utilizzo per ricucire il buco. Non sempre hanno successo e i pazienti spesso necessitano di interventi successivi a distanza di anni.
La dottoressa Black ha quindi cercato di sviluppare un trattamento migliore. Il suo obiettivo era quello di stampare in 3D un materiale completamente nuovo che potesse essere utilizzato come cerotto e che funzionasse come un timpano sano.
Non è stato facile, perché il timpano ha proprietà speciali che gli permettono di condurre le onde sonore. “Il timpano vibra come un materiale morbido alle basse frequenze e come un materiale rigido alle alte frequenze”, spiega Black. Il materiale doveva essere in grado di sostenere la crescita delle cellule, compresi i vasi sanguigni. E doveva essere abbastanza resistente da poter essere maneggiato dai chirurghi. Ma il timpano umano ha uno spessore di soli 80 micron, pari alla larghezza di un capello. “Si è trattato di una lunga serie di tentativi ed errori”, racconta l’autrice.
Black ha iniziato a testare i dispositivi su timpani perforati di cincillà, scelti per le loro orecchie enormi. Questi animali hanno timpani quasi della stessa dimensione di quelli umani. Quando ha iniziato a ottenere risultati promettenti, ha fondato una società, Beacon Bio, per svilupparli ulteriormente. La società è stata presto acquisita dall’azienda di stampa 3D Desktop Metal, dove Black è attualmente vicepresidente dei biomateriali e dell’innovazione presso la divisione sanitaria, Desktop Health.
Black afferma che la sua scoperta più significativa è stata quella di riuscire a stampare un materiale con una struttura che incoraggia le cellule a crescere secondo schemi specifici. Questo è essenziale per il timpano, ma si rivelerà utile anche nella stampa 3D di dispositivi medici per altri organi e tessuti.
L’ultima versione del suo dispositivo, chiamata PhonoGraft, ha la forma di un rocchetto di filo appiattito, che può essere spremuto attraverso un foro nel timpano fino a quando non ne spunta metà dall’altra parte.
La semplicità del suo design fa sì che non sia necessario l’intervento di un otorinolaringoiatra: in teoria, “qualsiasi otorinolaringoiatra esperto, in grado di guardare nell’orecchio con un endoscopio, può inserire uno di questi dispositivi”, afferma Black, che spera di iniziare a testare il dispositivo sugli esseri umani verso la fine del 2024.
Black ha anche in programma di creare dispositivi per altre esigenze sanitarie. Il suo prossimo obiettivo è realizzare innesti vascolari, che aiutano a riparare i danni ai vasi sanguigni, ad esempio dopo un intervento di bypass.
di Jessica Hamzelou
12 settembre 2023
Anna Blakney
University of British Columbia
I vaccini a mRNA – e gli scienziati che li hanno ideati – sono stati tra gli eroi della pandemia di Covid-19. Questi farmaci funzionano fornendo un po’ di codice genetico che consente al nostro corpo di produrre essenzialmente le proprie medicine. Oggi, solo negli Stati Uniti sono state somministrate oltre 360 milioni di dosi di vaccini a mRNA per il covid. Altri vaccini di questo tipo sono in fase di sviluppo per l’influenza, l’HIV e come terapie contro il cancro.
Ma c’è ancora molto spazio per i miglioramenti. Anna Blakney, 33 anni, bioingegnere presso l’Università della British Columbia a Vancouver, in Canada, è tra coloro che guidano la caccia a vaccini a RNA migliori, che siano più efficaci, offrano una protezione più duratura e possano essere somministrati a dosi più basse con meno effetti collaterali rispetto alle versioni esistenti.
Gli effetti collaterali comuni dei vaccini a RNA esistenti includono febbre e brividi, ma alcune persone hanno avuto problemi cardiovascolari, come coaguli di sangue. “Una delle sfide più grandi in questo campo è la sicurezza e gli effetti collaterali che vediamo con i nostri nuovi vaccini”, dice Blakney. “In futuro, dobbiamo davvero pensare a come ridurre al minimo la dose di RNA da utilizzare”.
Per farlo, Blakney si è concentrata sull’RNA autoamplificante (self-amplifying RNA), una forma di mRNA in grado di creare copie di se stesso una volta entrato nelle cellule. In teoria, in un vaccino o in una terapia si dovrebbe usare una quantità inferiore rispetto all’mRNA standard: “Si potrebbe usare una dose cento volte inferiore”, dice Blakney. E mentre l’mRNA codifica tipicamente le proteine per circa tre o cinque giorni, il saRNA lo fa per circa 30-60 giorni. Ciò significa che dovrebbe funzionare più a lungo nell’organismo rispetto ai vaccini esistenti, per cui le dosi di richiamo potrebbero non essere così frequenti.
Blakney ha anche lavorato su come aggiungere nuove caratteristiche all’mRNA. Nell’ambito di un recente progetto da lei diretto, ha incorporato il codice di nuove proteine che aiutano l’mRNA a schivare l’attacco del sistema immunitario di una persona. Di conseguenza, l’mRNA può lavorare più a lungo, producendo più proteine. “Funziona meglio come vaccino”, dice Blakney, che ha testato il farmaco nei conigli.
di Jessica Hamzelou
12 settembre 2023
Tetsuhiro Harimoto
Wyss Institute Harvard University
I microbi non sono molto intelligenti: non hanno un cervello e nemmeno un sistema nervoso. Ma sono bravi in quello che fanno. Le ricerche suggeriscono che colonizzano un corpo umano tipico circa 30 trilioni di batteri, vivendo sulla pelle e nell’intestino. Vivono persino all’interno dei tumori.
Ma cosa succederebbe se i batteri potessero essere resi più intelligenti? Tetsuhiro Harimoto, 32 anni, un postdoc che si fa chiamare “Tetsu”, ha passato gli ultimi anni a cercare di trasformare i batteri in “farmaci viventi intelligenti” a cui si potrebbe insegnare a cercare e attaccare automaticamente il cancro.
“La mia visione è quella di creare una nuova classe di tecnologie per la somministrazione di farmaci, costituita da microbi viventi progettati per localizzare in modo efficiente i tumori, di percepire autonomamente l’ambiente e di produrre farmaci in modo sostenibile e controllabile”, spiega Tetsu.
Utilizzando gli strumenti della biologia sintetica durante il suo dottorato di ricerca alla Columbia, ha già dimostrato che ciò potrebbe essere possibile. Ad alcuni batteri ha aggiunto geni che permettono loro di rilevare quando si trovano all’interno di un tumore (i bassi livelli di ossigeno sono comuni nei tumori). Ad altri ha dato la capacità di pompare farmaci che uccidono il cancro.
Il suo prossimo progetto sarà quello di unire queste tecniche, creando batteri in grado di rilevare le cellule tumorali e, spera, di eliminarle localmente.
di Antonio Regalado
12 settembre 2023
Julia Joung
Whitehead Institute
Julia Joung, 32 anni, è arrivata al Broad Institute di Cambridge, Massachusetts, e al laboratorio dell’esperto di editing genetico Feng Zhang nei primi giorni di entusiasmo per lo strumento di editing genetico CRISPR. Joung si è dedicata allo “screening su scala genomica”, ovvero all’uso di strumenti come CRISPR per alterare ciascuno dei 20.000 geni del genoma umano e poi osservare cosa succede.
Questo tipo di screening genetico, spesso effettuato su cellule staminali, è una priorità assoluta per i laboratori orientati ai dati che cercano di esplorare la logica della biologia da una prospettiva ampia.
In teoria, le cellule staminali possono essere indotte a svilupparsi in qualsiasi tipo di cellula. In pratica, però, molti tipi di cellule sono difficili, se non impossibili, da generare in laboratorio.
Le proteine chiamate fattori di trascrizione possono determinare ciò che le cellule decidono di diventare. Ma quali? Ci sono più di 1.500 fattori nel nostro corpo.
Inizialmente, Joung aveva trovato un singolo fattore in grado di trasformare le cellule staminali in cellule del sistema nervoso. Ma la sua ricerca si è evoluta in un progetto più ampio. Perché non aggiungere ogni singolo fattore di trascrizione alle cellule staminali e misurare l’effetto di ciascun fattore sul comportamento delle cellule?
Il risultato della sua indagine, pubblicato a gennaio, è un “atlante” di come i singoli fattori di trascrizione influenzano l’identità delle cellule staminali. L’obiettivo finale, dice l’autrice, “è quello di essere in grado di produrre qualsiasi tipo di cellula, e in modo molto controllato”.
Le cellule specifiche potrebbero essere utili per testare farmaci o nuovi tipi di terapie. Altri scienziati che studiano i fattori di trascrizione sperano di trovare combinazioni in grado di formare ovuli umani in laboratorio o addirittura di fornire la chiave per trattamenti di ringiovanimento. “Non stiamo solo generando liste quando facciamo lo screening. È una lista con uno scopo”, dice Joung. “C’è sempre un obiettivo finale”.
di Antonio Regalado
12 settembre 2023
Christina Kim
University of California, Davis
Christina Kim, 33 anni, ha sviluppato una tecnica per identificare le cellule nervose coinvolte nei diversi comportamenti degli animali, che potrebbe portare a trattamenti migliori per patologie neuropsichiatriche come la depressione, l’ansia e la dipendenza da droghe e alcol.
Nel cervello umano e animale, le cellule nervose, chiamate anche neuroni, comprendono centinaia di tipi di cellule. Per molto tempo è stato difficile individuare quali tipi si attivano in risposta a un particolare stimolo, come un rumore forte, un odore intenso o un’iniezione di droga. I metodi precedenti per registrare i diversi tipi di attività neurale nei topi, il cui cervello ha molte somiglianze con quello umano, erano limitati a specifiche aree cerebrali o inibivano i comportamenti che i ricercatori volevano studiare.
Il metodo di Kim, che ha sviluppato come ricercatrice post-dottorato a Stanford, funziona identificando le cellule con livelli elevati di calcio, che si precipita nei neuroni quando si accendono. Il suo team ha iniettato nei topi proteine geneticamente modificate, ha esposto il loro cervello a un fascio di luce blu e ha registrato la loro risposta a un’iniezione di nicotina e ad altri stimoli esterni. Nei neuroni in cui il livello di calcio era elevato, la luce ha guidato la trascrizione di un’altra proteina, questa volta fluorescente, un “tag” che è stato possibile rilevare al microscopio. Il suo team ha poi utilizzato il sequenziamento dell’RNA per scoprire i geni specifici presenti nei neuroni etichettati, determinandone di fatto il tipo.
Kim, ora professoressa di neuroscienze all’Università della California, Davis, sta perfezionando la tecnica, nota come fast light and calcium-regulated expression, per capire meglio come funziona la segnalazione cerebrale a livello molecolare. In definitiva, potrebbe contribuire allo sviluppo di terapie più mirate ed efficaci.
di Jonathan W. Rosen
12 settembre 2023
Jiawen Li
University of Adelaide
Jiawen Li, 34 anni, ha progettato un minuscolo dispositivo per aiutare i cardiologi a risolvere un problema comune: come capire quali sono i pazienti a maggior rischio di infarto.
L’innovazione di Li, un endoscopio ultrasottile stampato in 3D, è progettato per sondare l’interno di un vaso sanguigno e generare immagini di alta qualità delle placche che si accumulano nel corso della vita. La maggior parte di queste placche non rappresenta un pericolo, ma alcuni tipi rischiano di ostruire le arterie e di provocarne la rottura. Nessuna delle sonde oggi utilizzate dai medici è abbastanza buona da prevedere in modo affidabile quali placche possano causare problemi. Questo spesso porta a un costoso sovratrattamento o, peggio, a una morte improvvisa.
Li, ingegnere biomedico presso l’Università di Adelaide in Australia, ha deciso di costruire una “telecamera” che fornisse ai medici la qualità d’immagine di cui hanno bisogno, pur essendo abbastanza piccola da poter essere inserita in un’arteria. Il suo approccio combina due tecniche di imaging basate sulla luce in un’unica lente non più grande di un granello di sale; insieme, forniscono un’istantanea ad alta risoluzione della struttura di una placca, oltre a indizi molecolari sulla probabilità di rottura. In collaborazione con ricercatori tedeschi, Li ha sviluppato un modo per stampare la lente su un cavo a fibre ottiche sottile come un capello umano, che può essere introdotto nelle arterie fino al cuore.
Li e i suoi colleghi hanno testato con successo il dispositivo nei maiali e stanno lavorando per la sperimentazione clinica sull’uomo. Oltre a migliorare la diagnosi delle malattie cardiache, i ricercatori pensano che potrebbe aiutare i medici a individuare il cancro in aree difficili da visualizzare, come il dotto biliare (che trasporta la bile dalla cistifellea all’intestino tenue per facilitare la digestione) e i polmoni.
di Jonathan W. Rosen
12 settembre 2023
Danielle Mai
Stanford University
Il batterio responsabile di un’infezione respiratoria altamente contagiosa può essere anche la chiave per progettare tessuti molli realistici? Danielle Mai, 34 anni, pensa di sì. Il suo laboratorio dell’Università di Stanford sta usando le proteine della pertosse per bioingegnerizzare nuovi materiali che funzionano come la pelle e i muscoli umani.
Durante un tirocinio presso la Rogers Corporation, un’azienda che produce materiali ingegnerizzati, Mai ha iniziato a lavorare con i polimeri a base di proteine, molecole simili a grandi catene che servono come elementi costitutivi per molti tipi di organismi. Questo lavoro è diventato presto la sua passione.
Identificando le proteine presenti in natura e riproducendole all’interno del suo laboratorio, Mai è in grado di progettare biopolimeri che imitano le proprietà e le funzioni dei muscoli umani, in particolare la loro capacità di allungarsi e contrarsi, caratteristiche che finora è stato difficile sfruttare nei tessuti ingegnerizzati. I batteri come la pertosse sono un modello perfetto perché hanno sequenze proteiche altamente ripetitive, facili da imitare.
“Le proteine presenti in natura hanno funzionalità sorprendenti insieme a queste bellissime sequenze molecolari incorporate che hanno permesso loro di sopravvivere in ambienti difficili per miliardi di anni”, spiega Mai. “Possiamo prendere questa funzionalità e utilizzarla in materiali ingegnerizzati”.
Mai prevede molteplici applicazioni per questi nuovi biopolimeri, tra cui la soft robotics, la medicina rigenerativa e la carne artificiale prodotta in modo sostenibile.
di Kathryn Miles
12 settembre 2023
Courtney Young
MyoGene Bio
Courtney Young, 32 anni, era all’ultimo anno di liceo quando al nipote Christopher, di due anni, fu diagnosticata la distrofia muscolare di Duchenne, una malattia genetica fatale. La diagnosi sconvolse la famiglia di Young e la spinse a intraprendere un viaggio per trovare una cura. Il suo recente lavoro con l’editing genetico offre uno dei progressi più promettenti degli ultimi decenni.
La distrofia muscolare deriva da una mutazione che impedisce all’organismo di produrre le proteine necessarie per creare e sostenere muscoli sani. Utilizzando CRISPR-Cas9, Young e il suo team di MyoGene Bio possono modificare il DNA del paziente, ripristinando la capacità di creare le proteine necessarie.
Young e la sua équipe sono in grado di individuare una porzione comunemente mutata di un gene e di rimuoverla, dopodiché il DNA può ripararsi naturalmente. Sebbene la CRISPR-Cas9 sia stata utilizzata per affrontare le mutazioni genetiche per un decennio, la ricerca di Young ha spinto i limiti, dimostrando che sono possibili cancellazioni molto più grandi di quanto si pensasse in precedenza.
“Le terapie attualmente approvate per la distrofia muscolare di Duchenne affrontano gli effetti collaterali a valle o offrono solo benefici modesti”, afferma Young. “Il nostro approccio mira alla causa principale della malattia”.
Young prevede di impacchettare il CRISPR in un virus innocuo che può essere iniettato nel flusso sanguigno. Il virus potrebbe quindi infiltrarsi nelle cellule muscolari, permettendo alla tecnologia di editing di agire sul DNA del paziente. Young ritiene che i test clinici potrebbero essere svolti in circa due anni.
“Il tempo stringe”, afferma. “Una volta approvata, questa terapia potrebbe aiutare fino a 10.000 nuovi pazienti Duchenne ogni anno”.
di Kathryn Miles
12 settembre 2023