L’intestino “in un chip” che predice la risposta di farmaci contro il melanoma

Biomarcatori epiteliali specifici e fattori microbici che correlano con l’outcome clinico di pazienti con melanoma sono stati individuati grazie alla creazione di un chip che simula l’ambiente intestinale umano.

“L’intestino in un chip” è stato presentato da Mattia Ballerini e colleghi dell’Istituto Europeo di Oncologia (Milano), in uno studio recentemente pubblicato su Nature Biomedical Engeneering.

Gli inibitori del checkpoint immunitario (ICIs) sono farmaci che hanno mostrato risultati senza precedenti nel trattamento di tumori, melanoma soprattutto. La risposta a tali farmaci rimane tuttavia eterogenea e accompagnata da dubbi sulla loro sicurezza. 

Farmaci immunoncologici e microbioma intestinale

Il microbioma intestinale gioca un ruolo fondamentale nel modulare la risposta immunoterapica. Un suo disequilibrio può, infatti, impattare sull’omestasi intestinale e la compattezza dell’epitelio con conseguente trasferimento di patogeni in circolo e inizio di uno stato di infiammazione cronica. Nonostante la sua riconosciuta importanza, non ci sono indicazioni cliniche per effettuare una biopsia intestinale durante il trattamento immunoterapico andando a limitare le nostre conoscenze sui meccanismi di interazione. Più usati sono invece modelli animali e organoidi – un agglomerato cellulare che offre una visione più realistica delle più semplici colture cellulari. Molti sono tuttavia i fattori che non permettono un diretto confronto con l’uomo. 

Con lo scopo di studiare più accuratamente le interazioni ospite-microbioma i ricercatori italiani hanno ideato un sistema che simula l’architettura e la funzionalità  dell’intestino umano. 

Per farlo hanno progettato un chip composto da un canale simil-intestinale basato su organoidi intestinali (cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) o una co-coltura di Caco-2 e HT-29 MTX) e un compartimento vascolare (cellule endoteliali microvascolari umane o HMEC-1) separati da uno strato di gel che richiama la matrice extracellulare. Il sistema è stato poi ingegnerizzato per ricreare i movimenti peristaltici. 

I risultati dello studio

Testando vari tipi di feci, e quindi di microbiota, si è visto come i pazienti non responsivi al trattamento con ICIs presentino tratti pro-infiammatori. Infatti:

• le analisi di trascrittomica fatte sulle barriere intestinali “coltivate” dal sistema, hanno mostrato come le feci di pazienti non responsivi sopprimono il ciclo cellulare, replicazione e riparazione del DNA, della biogenesi e del trasporto mitocondriale, riorganizzazione della cromatina, metabolismo delle proteine. Di contro, si è osservato un aumento di interleuchine e apoptosi;
• i chip esposti a feci di pazienti non responsivi hanno acquisito profili distinti dalla controparte invece se si considera la riprogrammazione trascrizionale. La risposta cellulare allo stress è infatti stata ridotta pesantemente con, di contro, una induzione di meccanismi pro-infiammatori mediati da TNF e IL-6, VEGF, RET e la segnalazione di Rho GTPasi;
• l’espressione di TLR-5, recettore del sistema immunitario, ha registrato un aumento dopo l’esposizione delle feci intere, soprattutto di pazienti responsivi.

Andando a confrontare i marcatori di tossicità acuta, integrità della barriera e segnalazione cellulare in campioni fecali di pazienti responsivi e non, si è visto come le feci di pazienti non responsivi hanno effetti maggiormente pro-infiammatori rispetto alla controparte. Questo lo si deve soprattutto all’attivazione di segnalazione associata a LPS. In particolare:

• i livelli di caspasi-3, proteina apoptotica, sono  aumentati indipendentemente dalla responsività al trattamento con ICIs;
• la barriera intestinale ha mostrato un rilassamento solo con feci di pazienti non responsivi, presentando una riduzione di ZO-1 e beta-catenina. Nessun effetto invece con i pazienti responsivi che hanno, anzi, dimostrato un profilo simile ai controlli sani;
• il carico batterico di entrambi i gruppi si  è mostrato analogo suggerendo profili opposti sulla qualità, non sulla quantità;
• geni correlati alla produzione di lipopolisaccaridi (LPS) hanno registrato un arricchimento nei pazienti con melanoma, confermando la loro associazione con la resistenza a immunoterapia;
• l’esposizione a LPS da Escherichia coli ha mostrato effetti sulla barriera epiteliale con la perdita di funzione a seguito del trattamento.

La combinazione di ICIs e trapianto di microbiota fecale ha mostrato buoni risultati. Quali siano i componenti batterici coinvolti e quali potrebbero rappresentare un rischio per la nostra salute,  è ancora oggetto di discussione.

Indagando quindi meglio l’effetto del profilo del microbiota di pazienti responsivi e non responsivi sul modello di intestino-chip, si è visto come sia sufficiente il supernatante (cioè il liquido contenente i prodotti batterici) per simuare l’effetto delle feci intere. Infatti, certi metaboliti e fattori solubili associati ai pazienti non responsivi hanno indotto un’alterazione della barriera intestinale con una diminuzione di proteine di giunzione stretta (ZO-1) in cellule epiteliali e, di contro, un aumento di immunoglobuline (ICAM-1) nelle cellule micro-endoteliali. Ancora una volta, nessun effetto sull’integrità della barriera invece con il supernatante fecale di pazienti responsivi. 

Da ultimo, i ricercatori hanno valutato il potenziale terapeutico dei campioni fecali da pazienti con melanoma responsivi.

• la combinazione del loro materiale fecale intero o del supernatante con quello dei non responsivi ha migliorato l’integrità della barriera intestinale;
• sia il materiale fecale sia il supernatante hanno contrastato l’effetto pro-infiammatorio indotto da LPS:
• l’aggiunta di supernatante di pazienti responsivi a quello di non responsivi nel canale epiteliale ha indotto la riduzione di VEGF, CXCL-8, and IL-6;
• la combinazione con flagellina, derivato di Salmonella typhimurium, ha mostrato benefici simili in termini di integrità della barriera e infiammazione.

Conclusioni

Per riassumere, questo studio dimostra come il modello di “intestino in un chip” possa predire la risposta del melanoma all’immunoterapia sulla base delle feci o del supernatante della flora intestinale dei pazienti, oltre che offrire la possibilità per un miglioramento delle opzioni terapeutiche esistenti.