La neuroscienza, ovvero lo studio del cervello e del sistema nervoso, è uno dei settori di ricerca in Svizzera che ha fatto ampio ricorso all'utilizzo di animali, come rivelato dalla nostra analisi delle tendenze relative al numero di animali utilizzati negli ultimi 27 anni.
Con il progresso dei metodi scientifici, stanno emergendo nuove possibilità per sostituire la sperimentazione sugli animali e ridurne il numero necessario. Fondamentale per questo progresso è lo sviluppo di modelli basati su cellule umane che offrono sia rilevanza biologica sia un approccio più etico allo studio delle malattie cerebrali complesse.
Di seguito condividiamo i lavori e i progressi più recenti di tre gruppi di ricerca. Insieme, essi mostrano come nuovi metodi in vitro vengano utilizzati per affrontare importanti questioni di salute pubblica, dalla valutazione dei possibili effetti nocivi delle sostanze chimiche ambientali sullo sviluppo cerebrale, alla comprensione dei disturbi dello sviluppo neurologico come l'ADHD, fino alla ricerca di metodi migliori per studiare i tumori cerebrali aggressivi nell'infanzia.
LO SAPEVATE?
Il corpo umano è composto da trilioni di minuscoli elementi costitutivi chiamati cellule. Diversi tipi di cellule svolgono funzioni diverse, dal trasporto dell'ossigeno (cellule del sangue) alla trasmissione di segnali (cellule nervose).
Cosa significa "in vitro"?
Il termine in vitro (dal latino "nel vetro") si riferisce agli esperimenti condotti al di fuori di un organismo vivente, tipicamente in laboratorio. Questi metodi consentono ai ricercatori di studiare i processi biologici utilizzando cellule e tessuti in condizioni controllate.
Conosci gli -oidi?
Gli sferoidi, i tumoroidi e gli organoidi sono minuscoli gruppi tridimensionali di cellule coltivate artificialmente in laboratorio a partire da cellule umane (o non umane). A differenza delle tradizionali colture cellulari piatte, questi modelli 3D riproducono meglio l'architettura e le interazioni cellula-cellula presenti nel tessuto umano vivente. Si va dai modelli più semplici e facili da produrre (sferoidi), che non presentano differenziazione spaziale, a strutture più complesse che riproducono più fedelmente le parti funzionali degli organi (organoidi).
- Gli sferoidi sono gruppi di cellule che si autoassemblano e replicano la struttura e la funzione di piccoli frammenti di tessuto, come ad esempio una parte del cervello.
- I tumori artificiali vengono coltivati direttamente dal campione tumorale del paziente, conservando la diversità cellulare e le caratteristiche del tumore originale.
- Gli organoidi sono versioni semplificate delle parti funzionali degli organi, spesso coltivate da cellule staminali (cellule che possono svilupparsi in molti tipi diversi di cellule), consentendo agli scienziati di studiare lo sviluppo umano e le malattie.
Fornendo nuove tecnologie rilevanti per l'uomo che consentono ai ricercatori di studiare questioni specifiche relative alla biologia umana, questi modelli supportano la sostituzione della sperimentazione animale e la riduzione del numero di animali nella ricerca biomedica.
Sostituzione dell'uso di animali nei test chimici sullo sviluppo cerebrale
Ricerca condotta dal dottor David Pamies, responsabile della struttura dedicata alle cellule staminali e agli organoidi dell'Università di Losanna.
Esistono prove sostanziali che le sostanze chimiche presenti nel nostro ambiente possono danneggiare lo sviluppo cerebrale, in particolare durante il periodo di sviluppo del cervello che va dall'inizio della gravidanza fino a circa 25 anni di età. Tuttavia, la stragrande maggioranza delle sostanze chimiche in commercio non è mai stata testata per questi effetti.
Perché? I test tradizionali per la neurotossicità dello sviluppo (danni al cervello in fase di sviluppo) richiedono un numero elevato di animali e risorse significative. Ciò costituisce un ostacolo importante per i test di sicurezza di routine di molte sostanze chimiche.
La sfida
Esiste una forte spinta da parte degli organismi di regolamentazione, quali l'EFSA (Autorità europea per la sicurezza alimentare), l'EPA (Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti) e l'OCSE (Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico), ad adottare nuovi metodi alternativi (NAM). Si tratta di approcci complementari all'uso degli animali nella ricerca, che includono metodi come gli organ-on-a-chip (piccoli dispositivi con canali che consentono il flusso di fluidi attraverso cellule umane, simulando aspetti degli organi), l'uso di -oidi e modelli computazionali.
L'approccio delle 3R
Il dottor Pamies e il suo team hanno sviluppato degli sferoidi cerebrali umani, minuscoli microtessuti tridimensionali derivati da cellule staminali umane. Dopo otto settimane di sviluppo in laboratorio, questi sferoidi contengono tre tipi fondamentali di cellule cerebrali:
- I neuroni, che trasmettono segnali elettrici
- Gli astrociti, che sostengono e proteggono i neuroni
- Gli oligodendrociti, che producono la mielina (lo strato isolante che aiuta i segnali a viaggiare più velocemente lungo le fibre nervose)
La presenza della mielina è particolarmente importante. La mielinizzazione, ovvero il processo di formazione di questo strato isolante, è una parte fondamentale dello sviluppo cerebrale. Mentre gli animali producono naturalmente la mielina, ricrearla in vitro in modelli di colture cellulari è tecnicamente difficile, il che rende più complicato verificare se le sostanze chimiche influenzano la mielinizzazione senza ricorrere a studi sugli animali.
In questo modello sferoidale, i ricercatori possono esporre le cellule cerebrali a sostanze chimiche a concentrazioni definite e misurare gli effetti sulla salute delle cellule, sulla loro funzione e sulla mielinizzazione in condizioni controllate.
Rilevanza delle 3R
Sebbene gli organismi di regolamentazione abbiano proposto una serie di test di laboratorio per valutare se le sostanze chimiche danneggiano lo sviluppo cerebrale, manca ancora un metodo affidabile per testarne gli effetti sulla mielinizzazione. Il modello sferoidale del team della dottoressa Pamies, che produce mielina, contribuisce a colmare questa lacuna.
Gli sferoidi cerebrali umani supportano la riduzione offrendo un'alternativa che consente di sottoporre a screening molte sostanze chimiche con un numero inferiore di animali. Questi sferoidi sono particolarmente preziosi per gli approcci di sostituzione nella ricerca sulla neurotossicità dello sviluppo, dove le differenze tra le specie nei tempi e nei processi di sviluppo cerebrale, come la mielinizzazione, possono rendere difficile l'applicazione dei risultati degli studi sugli animali agli esseri umani.
Sostituzione dell'uso di animali nella ricerca sul cancro al cervello nei bambini
Ricerca condotta dal Prof. Javad Nazarian, MD, Professore presso l'Università di Zurigo, Direttore del Centro di ricerca DIPG/DMG presso l'Ospedale pediatrico universitario di Zurigo.
La sfida
Il glioma diffuso della linea mediana (DMG) è un tipo di tumore cerebrale altamente aggressivo che colpisce principalmente i bambini di età compresa tra i 5 e i 9 anni. Poiché il tumore cresce nel tronco cerebrale (la parte del cervello che controlla funzioni vitali come la respirazione e la frequenza cardiaca), la rimozione chirurgica non è possibile.
Gli approcci tradizionali si basano sull'analisi di un singolo campione tumorale, esaminandone il DNA per individuare mutazioni (alterazioni nel DNA) che potrebbero essere trattate con farmaci specifici, guidando così il trattamento. Tuttavia, questi tumori mutano rapidamente. Nel giro di pochi mesi, queste mutazioni possono cambiare drasticamente, il che significa che le decisioni terapeutiche basate sul campione iniziale potrebbero non essere più efficaci. Lo sviluppo di linee cellulari di laboratorio per i test sui farmaci utilizzando metodi tradizionali richiede dalle 8 alle 10 settimane, e i farmaci promettenti vengono poi tipicamente testati su modelli animali impiantando cellule tumorali nei topi (xenotrapianti). Questo processo è spesso troppo lento per informare le decisioni cliniche per i pazienti che hanno poco tempo a disposizione.
L'approccio delle 3R
Per affrontare questo problema, il gruppo del dottor Nazarian sta sviluppando tumori e organoidi derivati dai pazienti, coltivati a partire da piccoli campioni prelevati durante gli interventi chirurgici. Questi mini-tumori 3D conservano le caratteristiche principali del tumore originale, compresa la combinazione di tipi di cellule e la loro velocità di crescita. In 2-4 settimane, i ricercatori possono testare molti farmaci o combinazioni in parallelo sulle cellule dello stesso paziente e osservare come reagisce il tumore. Stanno inoltre utilizzando dispositivi microfluidici (piccole piattaforme che gestiscono minuscole quantità di liquido, consentendo un controllo preciso dell'ambiente cellulare) che coltivano le cellule dei pazienti sotto forma di sferoidi. Questi dispositivi consentono ai ricercatori di monitorare visivamente in tempo reale la risposta delle cellule ai farmaci. Ciò accelera notevolmente il processo che va dal prelievo del campione tumorale alla raccomandazione terapeutica.
Rilevanza delle 3R
I tumori e gli organoidi derivati dai pazienti supportano la sostituzione e la riduzione fornendo un modello basato sull'uomo in grado di rispondere alle domande della ricerca iniziale senza ricorrere immediatamente agli animali. Anche se gli esperimenti sugli animali potrebbero essere ancora necessari, i dati sui tumori ottenuti utilizzando questo modello possono aiutare a restringere il campo delle opzioni terapeutiche più promettenti, riducendo così il numero di animali utilizzati negli esperimenti di follow-up.
Sostituzione dell'uso di animali nella ricerca sull'ADHD
Ricerca condotta dalla Prof.ssa Dr. Edna Grünblatt, Professore presso l'Università di Zurigo, Responsabile di Psichiatria Molecolare Traslazionale presso il Dipartimento di Psichiatria e Psicoterapia Infantile e Adolescenziale, Ospedale Psichiatrico Universitario di Zurigo.
La sfida
Il disturbo da deficit di attenzione/iperattività (ADHD) colpisce circa il 7% della popolazione ed è caratterizzato da un ritardo nella maturazione cerebrale.
L'ADHD viene spesso trattato con il metilfenidato, il farmaco più comunemente usato in Europa. Nelle persone che non soffrono di ADHD, il metilfenidato può agire come psicostimolante, aumentando l'attività e la vigilanza. In molte persone affette da ADHD, invece, ha l'effetto opposto sul comportamento, migliorando la concentrazione e riducendo l'iperattività. Questa apparente contraddizione solleva interrogativi su come il cervello delle persone affette da ADHD differisca a livello cellulare e su come agisca il metilfenidato in tale contesto.
Per studiare queste questioni, i ricercatori hanno bisogno di modelli che riflettano lo sviluppo e la genetica del cervello umano in modo più accurato rispetto a quanto sia possibile ottenere con i soli esperimenti tradizionali sugli animali.
L'approccio delle 3R
Il gruppo del Prof. Grünblatt utilizza cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs) prelevate da pazienti e da soggetti sani di controllo, riprogrammate in laboratorio in uno stato di sviluppo precoce, da cui possono essere coltivate in tipi cellulari specifici. Da queste iPSCs, il team genera cellule staminali neurali specifiche per il paziente e neuroni corticali (cellule cerebrali dello strato esterno del cervello).
Questo approccio consente agli scienziati di confrontare le cellule cerebrali derivanti da singoli pazienti affetti da ADHD con quelle provenienti da soggetti sani di controllo, direttamente in laboratorio.
Il team ha osservato cambiamenti nella via di segnalazione Wnt nelle cellule dei pazienti affetti da ADHD. Una via è una serie di eventi molecolari che controllano il comportamento delle cellule. In questo caso, la via di segnalazione Wnt svolge un ruolo centrale nel modo in cui le cellule cerebrali crescono, si dividono, si specializzano e formano connessioni.
I risultati preliminari hanno dimostrato che il metilfenidato influenza il modo in cui le cellule staminali neuronali proliferano (si dividono) e si differenziano (maturano in neuroni). Nelle cellule dei pazienti affetti da ADHD, il metilfenidato ha aumentato la proliferazione cellulare rispetto alle cellule ADHD non trattate. Nelle cellule di controllo sane non sono stati osservati cambiamenti. Ciò suggerisce che la via Wnt contribuisce al modo in cui il metilfenidato influisce sulle cellule dei pazienti affetti da ADHD, anche se sono necessari ulteriori studi per chiarire completamente il meccanismo.
Rilevanza delle 3R
Utilizzando cellule umane specifiche del paziente in una capsula, questa ricerca incarna il principio di sostituzione e riduzione. Poiché l'ADHD comporta caratteristiche unicamente umane, gli esperimenti sugli animali non possono soddisfare pienamente la necessità di studiare questo disturbo e identificare nuovi approcci terapeutici.
Questi progetti di ricerca illustrano il cambiamento in atto nel modo in cui viene condotta la ricerca nel campo delle neuroscienze. I metodi basati sull'uomo e non sugli animali non sono più solo idee promettenti: vengono attivamente sviluppati e applicati per rispondere a importanti domande sulla salute e sulle malattie del cervello. Questo progresso dimostra che le 3R, in quanto principi guida, vengono sempre più implementate nella pratica. Man mano che questi approcci continuano a maturare, aprono la strada a un futuro delle neuroscienze che sarà sia più efficace nella comprensione del cervello sia più umano.
Questo articolo si basa sulla ricerca presentata al webinar svizzero 3RCC "Replacement in Neuroscience" (Sostituzione nelle neuroscienze ), tenutosi il 13 novembre 2025.