Pelle stampata in 3D per combattere il Virus Herpes Simplex (HSV)

Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità, il Virus Herpes Simplex (HSV) infetta circa il 64% della popolazione mondiale. Il virus causa herpes orale e genitale e, sebbene possa essere asintomatico, può anche provocare dolorosi episodi di riacutizzazione e rendere le persone infette più suscettibili all’HIV. Per le persone immunocompromesse, in particolare, il virus può essere debilitante.

Esistono, naturalmente, antivirali per trattare la malattia, il più comune dei quali è l’acyclovir, ma questi trattamenti non rappresentano una cura definitiva. Una volta infettata, una persona ospita l’HSV nelle cellule nervose, dove il virus può iniziare a replicarsi e nascondersi dai trattamenti antivirali o dal sistema immunitario. Ora, grazie alla produzione additiva, vengono sviluppati nuovi trattamenti contro l’HSV.

Strati cutanei (Crediti: Zhu Lab)

I farmaci attuali non sono efficaci contro l’HSV latente e richiedono anche dosaggi elevati e costanti. Inoltre, i pazienti possono sviluppare resistenza a questi trattamenti, che spesso non riescono a controllare adeguatamente i sintomi. Per questo motivo, la dottoressa Jia Zhu, professoressa associata presso la Divisione di Vaccini e Malattie Infettive del Fred Hutch, ha dedicato la sua carriera allo studio dell’HSV e sta lavorando per sviluppare trattamenti migliori. In un articolo per il Fred Hutch Cancer Center, ha spiegato che la chiave per creare trattamenti più efficaci è comprendere innanzitutto perché disponiamo degli attuali antivirali.

Il tipo di HSV che si replica e può essere bersagliato dagli antivirali si trova principalmente nello strato basale delle cellule epiteliali, il più interno dell’epidermide. Questo spiega perché le piaghe e le ulcere associate all’herpes compaiono spesso nei tessuti epiteliali di barriera, come la mucosa orale e la pelle genitale.

«Anche se si tratta di un processo complesso facilitato da molti tipi di cellule che strutturano collettivamente il tessuto epidermico», ha affermato la dottoressa Zhu, «gli antivirali che utilizziamo oggi per trattare l’HSV sono stati sviluppati utilizzando colture in vitro di cellule Vero e fibroblasti».

Le cellule Vero derivano dal rene di una scimmia verde africana e sono tra le linee cellulari continue di mammiferi più comunemente utilizzate nella ricerca biologica. I fibroblasti, invece, sono il tipo cellulare più rappresentato nel tessuto connettivo. Il problema è che questo metodo di sviluppo dei farmaci non cattura né la rilevanza in vivo né l’ambiente tissutale. «Non sorprende che questi antivirali mostrino prestazioni subottimali nelle infezioni da HSV nei pazienti», ha aggiunto la dottoressa Zhu.

Per affrontare questa sfida, il dottor Ian Hayman del laboratorio Zhu e la dottoressa Tori Ellison del laboratorio Ferrer presso il National Center for Advancing Translational Sciences, esperti in biostampa 3D, hanno guidato uno studio in cui hanno biostampato in 3D “equivalenti di pelle umana”. Questi equivalenti ricreano l’architettura della pelle umana in un formato adatto allo screening antivirale e ai test preclinici.

Come è stata stampata in 3D la pelle umana?

Secondo il Fred Hutch Cancer Center, il laboratorio Zhu ha stampato in 3D gli equivalenti della pelle umana depositando fibroblasti in contenitori di coltura appositamente progettati, aggiungendo cheratinociti sopra questo strato e incubando le cellule in diverse formulazioni di terreni di coltura.

Il risultato? Piccoli organoidi che assomigliano molto alla pelle umana, con tessuto dermico (composto principalmente da fibroblasti) e strati di tessuto epidermico stratificato (composti principalmente da cheratinociti).

Questa non è la prima volta che viene stampato in 3D un materiale simile alla pelle. Nel marzo 2024, ricercatori della Penn State hanno stampato in 3D il primo sistema completo e vivente composto da diversi strati di pelle. Prima di allora, altri scienziati avevano stampato con successo sottili strati di pelle. Tuttavia, la pelle del laboratorio Zhu è stata progettata specificamente per lo sviluppo di trattamenti contro l’HSV.

Processo di stampa 3D (Image Credit: Zhu Lab)

Più precisamente, il laboratorio ha sviluppato due tipi di questo sistema di organoidi: uno per simulare l’infezione iniziale da HSV e un altro per simulare una riacutizzazione dell’HSV da serbatoi latenti.

L’infezione iniziale è stata simulata immergendo il modello in un mezzo di coltura contenente HSV. La simulazione della riacutizzazione dell’HSV latente è stata realizzata con un modello ad interfaccia aria-liquido (ALI), in cui il virus è stato aggiunto al lato del tessuto a contatto con il mezzo, simulando la sua provenienza da sotto l’epidermide.

Test dei farmaci su pelle stampata in 3D

In un’operazione complessa, il laboratorio Zhu ha testato 738 composti per valutarne l’efficacia contro l’infezione sperimentale da HSV. I composti includevano nuovi farmaci, nonché quelli già approvati dalla FDA americana. Per visualizzare gli effetti dei trattamenti, il team ha utilizzato un HSV ricombinante che esprimeva una proteina fluorescente verde e fibroblasti con una proteina fluorescente rossa. Dopo la somministrazione dei farmaci, la microscopia a fluorescenza ad alto contenuto ha permesso di tracciare l’impatto dei trattamenti.

I farmaci che riuscivano a eliminare il segnale verde dell’HSV erano considerati efficaci, mentre quelli che riducevano il segnale rosso dei fibroblasti erano fuori bersaglio, colpendo il tessuto ospite. Il team è rimasto sorpreso dalle sue scoperte. Ha identificato quasi 20 composti antivirali che sopprimevano potentemente l’infezione da HSV con una tossicità minima per le cellule ospiti. Inoltre, ha scoperto significative differenze specifiche per tipo cellulare nell’efficacia di antivirali nuovi ed esistenti, incluso l’acyclovir.

«Abbiamo usato inizialmente l’acyclovir come controllo positivo per selezionare nuovi candidati antivirali», ha spiegato Hayman, «ma siamo rimasti scioccati nel constatare che l’acyclovir era almeno di un ordine di grandezza meno efficace nel modello sommerso (dove l’HSV infettava principalmente i cheratinociti) rispetto al modello ALI (dove il virus infettava principalmente i fibroblasti)». Ulteriori test hanno rivelato che le dosi di acyclovir necessarie per sopprimere efficacemente l’HSV nei cheratinociti erano superiori alle concentrazioni massime di acyclovir nel siero dei pazienti in terapia.

I tessuti sommersi sono stati infettati e poi fotografati a tempi specifici. I fibroblasti sono in arancione mentre le cellule infettate sono in verde. (Crediti immagine: Zhu Lab)

Sviluppo dei farmaci

In futuro, il team del laboratorio Zhu continuerà a studiare i migliori farmaci antivirali e a stampare equivalenti della pelle umana, il che li aiuterà a comprendere meglio la relazione tra l’efficacia antivirale e specifici tipi di cellule derivate dai pazienti. Hayman e Zhu hanno concluso: “Siamo particolarmente entusiasti della prospettiva di utilizzare cellule derivate dai pazienti per stampare in 3D la prossima generazione di questi organoidi cutanei, perché ciò ci permetterebbe di integrare la biologia specifica del paziente nel processo di scoperta dei farmaci e garantire che i farmaci su cui investiamo tempo e risorse dimostrino effettivamente efficacia negli ambienti cellulari in cui verranno utilizzati.” Per saperne di più: QUI.

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