Un giorno anche gli organi umani potrebbero essere conservati in modo sicuro per futuri trapianti.
Secondo gli scienziati, i reni di maiale raffreddati a -150 °C e conservati in un congelatore per mesi sono stati riscaldati con successo e hanno dimostrato di funzionare nuovamente per la prima volta. Gli scienziati sperano di replicare questi risultati con organi umani.
I reni — simili per dimensioni a quelli umani — sono stati lasciati in uno stato simile al vetro, in un caso per oltre un anno. Una volta riscaldati, testati con apparecchiature specifiche e trapiantati in maiali, i reni hanno ripreso il loro colore e hanno prodotto urina — segni fondamentali del loro funzionamento.
«Dieci anni fa… non direi che nutrissi grandi speranze che potesse davvero funzionare», afferma Erik Finger, chirurgo specializzato in trapianti presso l’Università del Minnesota che ha co-diretto il lavoro. «Dopo aver eseguito l’ultimo trapianto, sono uscito dalla sala e ho detto: “È una cosa importante”». La ricerca è stata pubblicata sul server di preprint bioRxiv e non è ancora stata sottoposta a revisione tra pari.
I reni non sono perfetti e i ricercatori devono ancora dimostrare che siano in grado di sostenere la vita a lungo termine. Ma i risultati rappresentano una pietra miliare, affermano altri esperti del settore.
«Grazie a Dio qualcuno è davvero riuscito a farlo con un organo e a dimostrare che funziona», afferma Peter Kilbride, criobiologo e cofondatore di Kyros Kairos, un’azienda impegnata a migliorare i finanziamenti per la ricerca sulla crioconservazione, che non ha partecipato alla ricerca. «Per anni si è cercato, senza successo, di arrivare a questo punto. Finalmente abbiamo ottenuto questa svolta».
«Il loro lavoro è straordinario e ci consentirà di conservare gli organi in modo reale e a tempo indeterminato», afferma Korkut Uygun, ingegnere biomedico e professore di chirurgia alla Harvard Medical School, anch’egli estraneo alla ricerca. «È un momento rivoluzionario per i trapianti».
Guadagnare tempo
Ogni anno, solo negli Stati Uniti, vengono effettuati decine di migliaia di trapianti di organi. Si stima che queste procedure abbiano salvato 2 milioni di anni di vita negli ultimi 25 anni. Ma c’è ancora ampio margine di miglioramento.
Una delle principali sfide è la carenza di organi disponibili. Anche quando un organo diventa disponibile, può essere difficile farlo arrivare al destinatario giusto entro 24-36 ore, che è il limite attuale per la conservazione degli organi umani.
Le persone che ricevono un trapianto di organi devono inoltre assumere farmaci che sopprimono il loro sistema immunitario per il resto della vita. Questi farmaci hanno lo scopo di impedire al loro corpo di rigettare i nuovi organi. Tuttavia, comportano effetti collaterali e aumentano il rischio di infezioni e cancro.
La possibilità di conservare gli organi per lunghi periodi di tempo promette di affrontare tutte queste sfide. I medici avrebbero più tempo per abbinare gli organi ai riceventi. Sarebbero anche in grado di limitare il rischio di rigetto degli organi, potenzialmente preparando in anticipo i riceventi e il loro sistema immunitario.
«Con una vera e propria banca degli organi… invece che siano i pazienti ad aspettare l’organo, sono gli organi ad aspettare i pazienti», afferma Finger.
Gli scienziati sono riusciti a raffreddare le cellule a temperature estremamente basse attraverso un processo chiamato vitrificazione, che essenzialmente le trasforma in qualcosa di simile al vetro. Questa procedura è già utilizzata per conservare ovuli, sperma ed embrioni. La vitrificazione di organi interi è molto più difficile.
Alcuni problemi possono essere evitati con i crioprotettori, sostanze chimiche che agiscono come l’antigelo e impediscono la formazione di cristalli di ghiaccio dannosi. Tuttavia, queste sostanze tendono ad essere incredibilmente tossiche. È inoltre difficile raffreddare rapidamente e in modo uniforme tessuti di grandi dimensioni, ed è altrettanto difficile riscaldare uniformemente un organo in tutta la sua estensione.
In collaborazione con John Bischof, bioingegnere dell’Università del Minnesota, Finger e i suoi colleghi hanno trovato una soluzione. Una volta che un organo è stato trattato con un crioprotettore, vi vengono infuse nanoparticelle di ossido di ferro. Queste nanoparticelle non hanno alcun effetto sulle cellule. Tuttavia, quando è il momento di riscaldare l’organo, possono essere attivate tramite un campo elettromagnetico.
Quando la radiofrequenza di quel campo alterna due stati, anche le particelle cambiano orientamento, riallineandosi con il campo. Ciò le induce a rilasciare calore in tutto l’organo. Regolando la potenza del campo, il team è in grado di controllare la velocità di riscaldamento in modo che acceleri una volta che l’organo raggiunge i -120 °C.
I ricercatori sono riusciti a vitrificare con successo reni di ratto utilizzando questo approccio in uno studio pubblicato nel 2023. All’epoca, sono riusciti a riscaldare reni che erano stati conservati in un congelatore per un massimo di 100 giorni prima di trapiantarli in ratti.
Da allora, il team ha cercato di ottenere lo stesso successo con organi più grandi. Si ritiene che i reni di maiale siano un buon modello per quelli umani: hanno all’incirca le stesse dimensioni e un aspetto simile. I reni di ratto pesano circa un grammo; quelli di maiale circa 100.
Non è stato facile. Il crioprotettore utilizzato per la vitrificazione dei reni di ratto non ha funzionato altrettanto bene negli organi suini. «Abbiamo dovuto riscoprire e modificare la miscela», afferma Bischof. «Ecco perché ci sono voluti tre anni».
Congelamento dei reni
Il primo passo della procedura consiste nel prelevare un rene da un maiale donatore. Una volta estratto, il rene viene lavato con una soluzione comunemente utilizzata per la conservazione degli organi per rimuovere il sangue, poi viene inserito in un sacchetto e temporaneamente adagiato su un letto di ghiaccio in una borsa termica, in modo da poter essere trasportato al laboratorio di ingegneria.
Lì, i membri del team estraggono il rene dal sacchetto e lo collegano a un dispositivo da loro progettato per controllare la temperatura e la pressione dell’organo. Quindi iniziano a iniettarvi la miscela di crioprotettori, con una velocità sufficientemente lenta da garantire una distribuzione uniforme all’interno dell’organo, ma abbastanza rapida da ridurre al minimo eventuali effetti tossici. L’operazione richiede circa due ore.
Il passo successivo consiste nell’infondere nell’organo le nanoparticelle di ossido di ferro, che vengono pompate attraverso l’organo per circa sette-otto minuti, spiega Finger. A quel punto è il momento di raffreddare l’organo pompando vapore di azoto freddo in una camera che lo contiene.
Si tratta di un processo delicato e il team deve assicurarsi che l’organo si raffreddi in modo uniforme. Allo stesso tempo, deve abbassare la temperatura del rene il più rapidamente possibile per impedire la formazione di ghiaccio. «Spesso ci sono più persone che svolgono compiti diversi per assicurarsi che nulla vada storto», afferma Bischof.
Una volta che l’organo raggiunge lo stato di vetrificazione a circa -120 °C, «si comporta come il vetro», spiega Finger. «A quel punto, può rimanere stabile per lunghi periodi di tempo — riteniamo a tempo indeterminato». Il team interrompe quindi il processo di raffreddamento per assicurarsi che l’organo sia completamente vetrificato. In caso contrario, potrebbe rompersi.
Dopo la pausa, se tutto procede bene, il rene viene infine raffreddato a -150 °C. Una volta nel congelatore, può rimanervi per giorni, settimane o persino mesi. Il team ha conservato un piccolo numero di reni in banca per oltre un anno.
Ritorno alla normalità
La vera prova per questi reni arriva quando vengono estratti dal congelatore, riscaldati e lavati per eliminare sostanze chimiche e nanoparticelle. Sono in grado di sostenere la vita? Finora, il team ne ha testati alcuni in un paio di modi diversi.
In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno inserito i reni riscaldati in dispositivi di perfusi i — sistemi già utilizzati negli interventi di trapianto sia per fornire nutrienti agli organi sia per aiutare i medici a valutarli mentre sono fuori dal corpo.
In un’altra serie di esperimenti, Finger e i suoi colleghi hanno trapiantato i reni riscaldati in maiali e li hanno monitorati per due ore. In entrambi gli esperimenti, i reni riscaldati sembravano riprendersi, afferma Finger. «Sono diventati subito rosa», dice.
Il team osserva il flusso sanguigno nel rene riscaldato e trapiantato, che gli permette di «assumere un colore rosato».
PER GENTILE CONCESSIONE DEI RICERCATORI
Esistono molti modi per misurare la funzionalità di un rene, ma un test fondamentale consiste nel verificare se l’organo sia in grado di produrre urina. Secondo questo parametro, i reni riscaldati hanno dato buoni risultati, sebbene abbiano prodotto circa due terzi della quantità che ci si aspetterebbe normalmente. «Producono urina… nel giro di un minuto circa», afferma Finger. «Sappiamo che funzionano».
La maggior parte dei reni riscaldati era stata conservata in banca per giorni o settimane. Uno, però, era rimasto nel congelatore per poco più di un anno. Quando Finger e i suoi colleghi lo hanno riscaldato e collegato a una macchina di perfusione, hanno scoperto che produceva urina «immediatamente». «In effetti sembrava in condizioni migliori rispetto a molti degli [altri] reni», afferma Finger. «Ora possiamo affermare con certezza che è possibile conservarli per un anno e riscaldarli mantenendone un’eccellente funzionalità».
«Raggiungere un anno è un traguardo davvero importante», afferma Kevin Myer, presidente e amministratore delegato di LifeGift, un’organizzazione per il prelievo di organi con sede in Texas. La possibilità di conservare gli organi per un periodo così lungo rivoluzionerebbe il trapianto d’organi. Myer immagina banche di organi che potrebbero essere utilizzati su richiesta in casi di emergenza in cui le persone non possono aspettare, come ad esempio in caso di overdose da droga o ferite da arma da fuoco.
Ultimi ostacoli
Ma la procedura non è ancora pronta per essere applicata su larga scala. Oltre a produrre meno urina del previsto, i reni riscaldati hanno anche mostrato segni di lesioni. Secondo i ricercatori, il danno sembra essere causato dalle sostanze chimiche crioprotettive.
«Si tratta di un importante passo avanti che risolve metà del problema», come afferma Kilbride.
Il team ha dimostrato che i reni riscaldati possono ripristinare il flusso sanguigno, il che è «molto importante», afferma Greg Fahy, un criobiologo considerato un pioniere nel settore. Tuttavia, è preoccupato per l’entità del danno agli organi. «Da questi esperimenti non possiamo stabilire se questi reni avrebbero potuto sostenere la vita o meno».
Tuttavia, Fahy, che ricopre il ruolo di direttore scientifico presso le aziende biotecnologiche Intervene Immune e 21st Century Medicine (dove è anche direttore esecutivo), riconosce che non è chiaro come questi reni potrebbero comportarsi una volta trapiantati in un animale vivo a lungo termine.
Anche Finger spera di trovare modi per riparare i danni osservati nei reni. Altre ricerche hanno dimostrato che la salute degli organi destinati al trapianto può migliorare mentre sono collegati a macchine di perfusione. Inoltre, i reni danneggiati potrebbero subire un certo grado di autoriparazione una volta inseriti in un organismo. In ogni caso, secondo Finger, i reni umani potrebbero sopportare meglio il processo rispetto a quelli suini.
Il prossimo passo sarà testare i reni nei suini per periodi di tempo più lunghi. Il team, insieme a molti altri ricercatori del settore, continuerà anche la ricerca di crioprotettori meno tossici. Finger, Bischof e i loro colleghi stanno inoltre pianificando esperimenti con reni umani.
Finger è ottimista. «Vedremo che ci sono lesioni e che il risultato non è perfetto… ma ora siamo arrivati al punto in cui funziona», afferma. «Si tratta di grandi traguardi storici nel nostro campo, e ne siamo entusiasti».
