Il cervello è uno degli organi più studiati e meno compresi, ciò che ci definisce in quanto individui: è l’organo che genera il pensiero, l’attenzione, la consapevolezza e l’immaginazione. Quello che più sorprende del cervello è l’alto numero di cellule da cui è formato, i neuroni, che sono stimati essere attorno agli 80 miliardi, ognuno dei quali forma 7000 connessioni con altri neuroni, per un numero totale di sinapsi tra 100 e 500 trilioni!

Per fare una similitudine, il numero di neuroni nel cervello è paragonabile al numero di stelle nella Via Lattea. I neuroni, inoltre, sono cellule altamente polarizzate, significa che ogni comparto cellulare svolge una funzione precisa: i dendriti ricevono l’informazione, la quale viene trasportata al corpo cellulare, che elabora una riposta, che a sua volta viene trasportata lungo l’assone fino alla sinapsi, il punto di comunicazione tra due neuroni.

A complicare lo scenario del cervello si aggiunge un altro tipo cellulare, l’astrocita, il cui numero è almeno 10 volte maggiore quello dei neuroni, e che svolge funzioni indispensabili per lo sviluppo dei neuroni e per la loro sopravvivenza.

Il cervello è una struttura molto complessa, ma anche molto delicata, con una particolare suscettibilità al danno. Nonostante la plasticità del tessuto nervoso questo ha una scarsa capacità rigenerativa. Infatti, le sue cellule sono a tutti gli effetti post-mitotiche, cioè incapaci di replicarsi una volta differenziate; se un neurone muore non può essere sostituito da un altro. 

Le malattie del tessuto nervoso sono molte e sono legate sia allo sviluppo che alla senescenza ed, ad oggi, i trattamenti efficaci contro la maggior parte delle malattie neurologiche e neurodegenerative sono molto pochi. 

Per studiare l’intricato labirinto di cellule e connessioni nervose si cerca quindi di costruire modelli semplici e più facilmente esaminabili, nei quali analizzare i meccanismi e le interazioni chiave per il corretto funzionamento cerebrale. 

Tra questi modelli abbiamo le colture cellulari, che permettono di isolare i neuroni dal cervello, di coltivarli in-vitro e di poterli poi analizzare sotto diversi aspetti. Fino a pochi anni fa la ricerca in-vitro si concentrava su modelli 2D, piatti, relativamente semplici da costituire e altamente replicabili, in cui poter studiare meccanismi di base. Ma, recentemente, per meglio mimare il tessuto cerebrale si sta cercando di sviluppare delle colture tridimensionali (3D); infatti, permettendo alle cellule cerebrali di svilupparsi in 3D non varia solo la loro morfologia ma anche la loro attività e la loro capacità di “comunicare”. 

Da qui nasce la necessità di iniziare ad evolvere i modelli in vitro finora usati per studiare gli organi e creare sistemi di coltura cellulare che imitino il microambiente fisiologico degli organi e la loro architettura. Lo scopo non è ricreare tutto l’organo ma la sua più piccola unità “morfo-funzionale” nelle tre dimensioni, che sia in grado di mimare le caratteristiche dell’organo sufficientemente da capire come reagisce a determinati stimoli.

Si parla di Organs-on-chip: sistemi di colture all’avanguardia per la produzione di simil-organi tridimensionali ottenuti coltivando cellule derivanti da modelli animali o da pazienti stessi. Uno dei tanti aspetti vantaggiosi di questi sistemi è, infatti, la possibilità di coltivare neuroni provenienti dai pazienti direttamente sul dispositivo in cui è possibile studiare la comparsa della malattia e la sua progressione. L’altro aspetto importante è la possibilità di effettuare screening di nuovi famarci, per la verifica di efficacia e di tossicità di nuove molecole potenzialmente terapeutiche. 

I campi di applicazione sono tantissimi, dall’Alzheimer al trauma cranico, dalle malattie rare del neurosviluppo ai tumori, ma come tutti i modelli sono presenti delle limitazioni. Nonostante ciò, le colture 3D sono un nuovo strumento per affrontare il problema della “modellizzazione” della malattia e dello sviluppo di nuovi farmaci efficaci.