La tecnologia MIVO® ha reso possibile l’implementazione di un modello 3D fluidico di barriera intestinale in vitro. In questo articolo viene dimostrato che il MIVO®, combinato con un modello di epitelio intestinale 3D, permette di emulare in vitro l’ambiente intestinale e offrire una piattaforma affidabile per lo studio del passaggio di molecole, discriminando i due principali meccanismi di assorbimento intestinale. Questa piattaforma permette dunque di misurare l’assorbimento di farmaci assunti per via orale.

L’epitelio intestinale ha una struttura cellulare ben organizzata, possiede diversi fenotipi cellulari e proprietà di barriera che la rendono efficace contro l’eccessivo assorbimento di antigeni alimentari. Quando questo meccanismo è inefficace, gli antigeni passano nel circolo sanguigno in quantità eccessiva, provocando, in certi soggetti, una sensibilizzazione del sistema immunitario. L’aumento della permeabilità intestinale porta a un assorbimento passivo di sostanze normalmente escluse, innescando una moltitudine di disordini clinici. La permeabilità intestinale è dunque cruciale nel regolare la biodisponibilità e gli effetti biologici di farmaci e composti alimentari. Tuttavia, gli studi quantitativi sull’assorbimento di molecole sono piuttosto limitati, a causa della mancanza di modelli sperimentali affidabili in grado di riprodurre le risposte che si osservano in vivo.

Fig1: I principi nutritivi vengono assorbiti prevalentemente nell’intestino tenue grazie alla barriera Intestinale, che blocca il passaggio di tossine, agenti patogeni, allergeni. L’integrità della barriera intestinale può essere danneggiata in modo definitivo o transitorio da molteplici fattori come i farmaci, l’alcool, un’alimentazione scorretta e alcune patologie: situazioni tali possono renderla più permeabile, provocarne l’appiattimento e il danneggiamento dei villi intestinali, fino a vere e proprie lesioni.

Fig1: I principi nutritivi vengono assorbiti prevalentemente nell’intestino tenue grazie alla barriera Intestinale, che blocca il passaggio di tossine, agenti patogeni, allergeni. L’integrità della barriera intestinale può essere danneggiata in modo definitivo o transitorio da molteplici fattori come i farmaci, l’alcool, un’alimentazione scorretta e alcune patologie: situazioni tali possono renderla più permeabile, provocarne l’appiattimento e il danneggiamento dei villi intestinali, fino a vere e proprie lesioni

La tecnologia MIVO® ha reso possibile l’implementazione di una piattaforma innovativa che costituisce un modello fluidico in vitro di barriera dell’intestino tenue, in cui l’epitelio intestinale ricostruito in 3D viene integrato con il dispositivo MIVO® che simula gli stimoli fisiologici dell’ambiente intestinale.

Tramite questo sistema, è stato studiato l’assorbimento del lattulosio e del mannitolo, due zuccheri coinvolti in due diverse vie di assorbimento, quella paracellulare e quella transcellulare: tale approccio in vitro consente dunque di monitorare nel tempo questi due diversi meccanismi di assorbimento, il cui rapporto  è comunemente analizzato in clinica per valutare la permeabilità intestinale del paziente e dunque il suo stato di salute.

Fig2: illustrazione dei meccanismi di assorbimento paracellulare e transcellulare.

Fig2: illustrazione dei meccanismi di assorbimento paracellulare e transcellulare

Lo studio di assorbimento intestinale è stato effettuato simulando condizioni di tessuto sano e patologico: in quest’ultimo caso le proprietà di barriera dell’epitelio intestinale sono state compromesse con lo scopo di valutare la capacità del tessuto danneggiato di sottoporsi a un processo di auto-guarigione in un ambiente fluido-dinamico.

I risultati hanno mostrato una cinetica di passaggio degli zuccheri fino a raggiungimento di un plateau, e, in particolare, l’assorbimento del mannitolo è risultato maggiore di quello del lattulosio: ciò è in linea con i dati clinici relativi ai processi transcellulari/paracellulari, e rivela una buona affidabilità del modello utilizzato. È interessante notare che, a seguito del danneggiamento, la permeabilità dell’intestino e il relativo passaggio del lattulosio è stata completamente ripristinata solo in condizioni dinamiche all’interno di MIVO®, grazie alla presenza di un flusso controllato esercitato sulla membrana intestinale, come spiegato di seguito.

Fig3: Confronto tra l’assorbimento di due diverse concentrazioni di lattulosio (A) e mannitolo (B) in condizioni dinamiche (dispositivo MIVO®). Questi risultati evidenziano che il percorso di assorbimento dei due zuccheri è profondamente diverso, come confermato dalla procedura clinica, che infatti si serve abitualmente di questi dati di assorbimento a partire dell’esame delle urine per studiare l’eventuale danno intestinale dei pazienti.

Fig3: Confronto tra l’assorbimento di due diverse concentrazioni di lattulosio (A) e mannitolo (B) in condizioni dinamiche (dispositivo MIVO®). Questi risultati evidenziano che il percorso di assorbimento dei due zuccheri è profondamente diverso, come confermato dalla procedura clinica, che infatti si serve abitualmente di questi dati di assorbimento a partire dell’esame delle urine per studiare l’eventuale danno intestinale dei pazienti

Fig4: Assorbimento del lattulosio in condizioni dinamiche (A) e statiche (B), nel tessuto sano (healty tissue), danneggiato (EGTA) e guarito (EGTA + Recovery). Il passaggio del lattulosio, che era stato osservato precedentemente nel il tessuto sano, è stato completamente ripristinato esclusivamente in condizioni dinamiche all'interno della camera MIVO®, a dimostrazione del fatto che il modello statico non fornisce una buona ricostruzione del microambiente tissutale.

Fig4: Assorbimento del lattulosio in condizioni dinamiche (A) e statiche (B), nel tessuto sano (healty tissue), danneggiato (EGTA) e guarito (EGTA + Recovery). Il passaggio del lattulosio, che era stato osservato precedentemente nel il tessuto sano, è stato completamente ripristinato esclusivamente in condizioni dinamiche all’interno della camera MIVO®, a dimostrazione del fatto che il modello statico non fornisce una buona ricostruzione del microambiente tissutale

L’epitelio intestinale è un tessuto altamente specializzato, formato da diverse popolazioni cellulari in continuo ricambio, e, per questo motivo, ha la capacità di ristabilire rapidamente la sua integrità a seguito di una lesione. Questo studio ha dimostrato che, nel tessuto intestinale danneggiato, il modello di passaggio del lattulosio, osservabile in quello sano, è stato completamente ripristinato solo in condizioni dinamiche all’interno della camera MIVO®. Ciò è probabilmente dovuto al ruolo benefico del flusso dinamico del mezzo di coltura cellulare al di sotto del tessuto, in grado di rimuovere l’accumulo di rifiuti e migliorare sia il trasporto di massa del sistema, che il turnover cellulare, contribuendo così alla sua guarigione. Infatti, l’accumulo di prodotti di scarto, principalmente lattato, che può avvenire in colture statiche bidimensionali, può portare a un’acidificazione del pH nel microambiente tissutale, compromettendo così la crescita cellulare.

L’alterazione della permeabilità è alla base della patogenesi di molte patologie gastroenterologiche, tra cui, non solo l’enterocolite infettiva e le malattie infiammatorie croniche intestinali, che comprendono la colite ulcerosa e la malattia di Crohn, ma anche la sindrome dell’intestino irritabile, la sindrome da proliferazione batterica dell’intestino tenue, la celiachia, le intolleranze alimentari e persino le manifestazioni atopiche. In questo contesto, quindi, la modellizzazione in vitro di un ambiente intestinale fluido-dinamico offre un approccio innovativo e utile per lo studio del recupero della funzione fisiologica della barriera intestinale a seguito di lesioni.

In conclusione, i risultati, qui riassunti brevemente, indicano che il MIVO®, combinato con un modello di tessuto intestinale 3D, può rappresentare un modello in vitro affidabile di barriera dell’intestino tenue sia sana che patologica per lo studio del passaggio delle molecole, poiché riesce a discriminare i due principali meccanismi di assorbimento intestinale. Questo sistema potrebbe diventare uno strumento utile per testare gli effetti di terapie e farmaci sul corretto funzionamento della barriera intestinale.

Ilaria Pulsoni