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Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 310 (2023) Citare questo articolo

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La steatosi epatica non alcolica (NAFLD) affligge una percentuale significativa della popolazione; tuttavia, non sono stati ancora stabiliti trattamenti efficaci a causa dell'inadeguatezza dei test in vitro e dei modelli sperimentali animali. Qui presentiamo una piattaforma integrata intestino-fegato su chip (iGLC) come modello umano in vitro dell'asse intestino-fegato (GLA) mediante co-coltura di linee cellulari umane di intestino e fegato interconnesse tramite microfluidica in un circuito di circolazione chiuso, per l'inizio e la progressione della NAFLD mediante trattamento con acidi grassi liberi (FFA) rispettivamente per 1 e 7 giorni. Le cellule co-coltivate Caco-2 che mimano l'intestino e le cellule simili agli epatociti HepG2 dimostrano gli effetti protettivi dell'apoptosi contro il trattamento con FFA, mentre le cellule mono-coltivate mostrano apoptosi indotta. Le analisi del fenotipo e dell'espressione genica rivelano che le cellule intestinali e epatiche trattate con FFA accumulavano goccioline lipidiche intracellulari e mostrano un aumento dell'espressione genica associato a una risposta cellulare agli ioni rame e allo stress del reticolo endoplasmatico. Come modello GLA umano in vitro, la piattaforma iGLC può servire come alternativa agli esperimenti sugli animali per studiare i meccanismi della NAFLD.

La steatosi epatica non alcolica (NAFLD) è una malattia epatica cronica comune che porta a steatosi epatica, cirrosi, cancro e malattie cardiovascolari1,2,3,4. Si prevede che la NAFLD colpirà il 33,5% della popolazione degli Stati Uniti di età superiore ai 15 anni entro il 20305. Attualmente, il trapianto di fegato è l'unico metodo per curare pazienti con gravi malattie epatiche e trovare donatori compatibili con i pazienti è estremamente difficile. Esiste un urgente bisogno di intervento nei diversi stadi della malattia del fegato grasso; tuttavia, il meccanismo della malattia è in gran parte sconosciuto a causa dei complicati processi che avvengono a più livelli, noti come teoria dei colpi multipli. Ad esempio, l’accumulo di grasso, lo stress ossidativo, lo stress del reticolo endoplasmatico (ER) e le modifiche genetiche o epigenetiche possono verificarsi a livello cellulare, mentre la resistenza all’insulina e le risposte infiammatorie possono verificarsi in più organi a seconda dell’individuo e dell’ambiente6. Per identificare nuovi trattamenti per la NAFLD, è necessaria una profonda comprensione di ciascuno di questi processi e queste conoscenze accumulate devono poi essere combinate.

In questo studio ci siamo concentrati sull'asse intestino-fegato (GLA), che è uno dei componenti più cruciali per l'inizio e la progressione della NAFLD7,8. L’intestino è fortemente influenzato dal microbiota intestinale e dai carboidrati alimentari, che possono accelerare la NAFLD9,10,11. I prodotti infiammatori, i nutrienti e le sostanze assorbite dal cibo e dal microbiota attraverso la barriera intestinale vengono trasportati dal sangue venoso al fegato. Inoltre, i prodotti generati dagli epatociti vengono trasportati nell'intestino tenue. Pertanto, l’intestino e il fegato sono strettamente collegati sia fisiologicamente che patologicamente. La disfunzione del GLA, inclusa la disbiosi intestinale, la proliferazione batterica e l’alterazione della permeabilità della mucosa, causata dalla NAFLD, sono potenziali bersagli terapeutici;12,13 ma ad oggi non sono stati resi disponibili in commercio trattamenti. Ciò è dovuto in gran parte al fatto che i test preclinici convenzionali sugli animali non rappresentano accuratamente i problemi della teoria dei colpi multipli, non hanno accessibilità ai singoli organi negli animali vivi e presentano differenze tra le specie. Pertanto, stabilire un modello semplificato e robusto per studiare il GLA nella NAFLD è fondamentale per ottenere informazioni più approfondite sui meccanismi alla base della scoperta di nuovi farmaci, trattamenti e strumenti diagnostici.

Gli organi su chip (OOC), noti anche come sistemi microfisiologici (MPS), hanno un potenziale significativo per i test preclinici in vitro14,15,16,17 e la modellizzazione delle malattie18. La tecnologia microfluidica è il fondamento degli OOC perché consente un controllo preciso del flusso del liquido e dell'architettura tridimensionale dei canali di flusso. Queste proprietà conferiscono agli OOC la capacità di controllare spaziotemporalmente i microambienti cellulari e di funzionalizzare le cellule dei tessuti. La circolazione del mezzo di coltura cellulare può ulteriormente aiutare a modellare le interazioni multiorgano con la segnalazione paracrina ed endocrina. Gli OCC in combinazione con test cellulari avanzati, come le analisi ad alto contenuto e l'approccio omico, forniscono informazioni più approfondite sulla biologia in modo quantitativo e multiparametrico rispetto agli esperimenti sugli animali19. Gli OOC sono stati utilizzati per ricapitolare il GLA in vitro e per dimostrare il ruolo della diafonia tramite il GLA in situazioni patologiche, tra cui la steatosi epatica20,21 e l'infiammazione22, per studi di farmacocinetica in vitro23. Tuttavia, gli OOC devono essere ulteriormente migliorati per imitare il GLA, e ciò richiede quattro caratteristiche chiave: un circuito di circolazione chiuso, accessibilità alle singole camere, controllo dinamico del flusso e prevenzione dell’assorbimento delle molecole. Il circuito di circolazione chiuso è necessario affinché la circolazione media ricapitoli le interazioni intertissutali nel GLA. L'accessibilità individuale è necessaria per introdurre cellule tissutali nella camera desiderata e raccoglierle dopo il trattamento senza contaminazione incrociata da altre cellule. Il circuito di circolazione chiuso e l’accessibilità individuale possono sembrare caratteristiche contraddittorie, ma entrambe sono necessarie per studiare la diafonia tra intestino e fegato. Il controllo dinamico del flusso è fondamentale per ottenere cellule tissutali funzionali in vitro, in particolare per l'intestino24. Alcuni OOC richiedono l'uso di ulteriori inserti di coltura cellulare (ad esempio, Transwell) per co-coltivare due o più tipi di cellule separate da una membrana porosa. Tuttavia, a causa della gamma macroscala del mezzo, questi inserti non possono essere utilizzati per la microfabbricazione e spesso mancano dei vantaggi della tecnologia microfluidica, come il controllo sulla dinamica del flusso nella camera di coltura cellulare e nel microambiente cellulare. Questi inserti aggiuntivi spesso interferiscono con l'osservazione microscopica delle cellule poiché aumentano la distanza di lavoro e la diffrazione della luce da parte dei pori della membrana. Il polidimetilsilossano (PDMS) è un materiale ampiamente utilizzato per i sistemi di coltura cellulare microfluidica grazie alle sue proprietà di biocompatibilità, trasparenza ed elasticità. Tuttavia, è necessario prevenire l'assorbimento del PDMS, poiché il PDMS provoca l'assorbimento di molecole idrofobiche, inclusi metaboliti, ormoni, farmaci candidati, acidi grassi, lipidi e indicatori fluorescenti, che possono influenzare i fenotipi cellulari e i risultati dei test. Gli acidi grassi liberi (FFA) sono un fattore critico nella NAFLD. Sebbene i sistemi di coltura cellulare microfluidica basati su PDMS25,26, incluso il nostro modello GLA in vitro27 precedentemente riportato, risolvano i suddetti problemi degli OOC per GLA, le piattaforme basate su PDMS senza alcun trattamento per prevenire l'assorbimento di molecole idrofobiche non sono applicabili per ricapitolare NAFLD28.