Credit: UC Riverside

Ricercatori dell’Università della California, Riverside, fanno parte di un ambizioso piano dell’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti, o EPA, per eliminare i test sugli animali entro il 2035. Il loro contributo: sviluppare un modo per testare se le sostanze chimiche causano difetti di nascita muscolo-scheletrici utilizzando tessuti umani coltivati in laboratorio, non animali vivi.

Nicole zur Nieden, professore associato di biologia molecolare, cellulare e dei sistemi, e David Volz, professore associato di tossicologia ambientale, sono entrambi esperti di alternative ai test di tossicità normativa e di politica e regolamentazione delle sostanze chimiche. Hanno ricevuto 849.811 dollari per far crescere cellule staminali umane in tessuto simile alle ossa per testare le sostanze chimiche industriali e ambientali che potrebbero interferire con la crescita fetale.

I difetti di nascita che colpiscono i tessuti muscoloscheletrici possono essere causati da ingredienti chimici in pesticidi, fungicidi, vernici e additivi alimentari. Le sostanze chimiche nocive devono essere identificate attraverso test per essere regolamentate. Attualmente, questi test sono fatti su animali vivi, di solito roditori come i topi.

Il progetto UC Riverside, guidato da zur Nieden, stimolerà le cellule staminali pluripotenti umane, che hanno la capacità di svilupparsi in qualsiasi tipo di cellula, con agenti che le indirizzano a formare cellule ossee. Le cellule passeranno attraverso le stesse fasi di sviluppo e saranno soggette agli stessi spunti molecolari di un embrione umano. I ricercatori esporranno le cellule a sostanze chimiche selezionate in momenti critici, poi le valuteranno usando tecniche avanzate di imaging e sequenziamento di prossima generazione.

Le cellule ossee possono svilupparsi attraverso tre percorsi diversi. zur Nieden userà sostanze chimiche note per influenzare percorsi specifici dello sviluppo osseo per cercare modelli in come le sostanze chimiche influenzano queste origini. I modelli serviranno come modelli per testare sostanze chimiche sconosciute. Successivamente, i ricercatori testeranno le sostanze chimiche sconosciute e le confronteranno con le librerie precedentemente compilate di composti che sono già stati testati negli animali per vedere quanto siano accurate le piastre di Petri, o test in vitro, per valutare il rischio.

Una caratteristica distintiva delle cellule che formano le ossa è che creano una matrice ossea di piccoli cristalli chiamati idrossiapatite, che alla fine formano il fosfato di calcio, la roba bianca sulla superficie di tutte le ossa. L’analisi visiva a basso costo può aiutare a identificare i difetti del calcio.

“I cristalli di calcio appaiono bianchi se visti con gli occhi”, ha detto zur Nieden. “Ma quando si osservano le colture con la microscopia a contrasto di fase, la luce viene invertita e i cristalli normali appaiono neri. I cristalli anormali avranno più bianco e sfumature di grigio. Si può usare un algoritmo di analisi dell’immagine per misurare il nero nelle immagini per determinare se il calcio si è formato correttamente o no.”

I test non animali sono già comuni

Gli scienziati sanno da molto tempo che gli animali differiscono dagli umani in importanti modi fisiologici e di sviluppo, e che i risultati dei test sugli animali non sono sempre affidabili per le persone. Inoltre, la ricerca sugli animali è costosa e richiede tempo, oltre ad essere sempre più insostenibile per ragioni etiche. Le alternative non animali sono state sviluppate per quasi 25 anni, e alcune sono già standard.

“Per il pubblico generale, l’annuncio dell’EPA sembrava venire dal nulla”, ha detto Volz, il cui laboratorio sequenzierà l’RNA messaggero in cellule ossee esposte a sostanze chimiche dal laboratorio di zur Nieden per cercare cambiamenti nell’espressione genica. “Non è successo da un giorno all’altro. Quel treno ha già lasciato la stazione.”

Volz ha detto che il programma Science to Achieve Results dell’EPA, attraverso il quale la UC Riverside ha ricevuto la nuova sovvenzione, ha finanziato la ricerca sulle alternative animali per più di 10 anni.

Il piano dell’EPA di porre fine alla sperimentazione animale entro il 2035 segue i precedenti cambiamenti al Toxic Substances Control Act, o TSCA, emanato nel 1976. Il TSCA autorizza l’EPA a regolare le sostanze chimiche che si trovano nei prodotti di consumo come detergenti, mobili, vernici, tappeti, abbigliamento e altri beni di consumo. La regolamentazione ai sensi del TSCA non si applica alle sostanze chimiche in alimenti, farmaci, cosmetici e pesticidi, che sono regolati da leggi diverse.

Anche dopo il TSCA, migliaia di sostanze chimiche comuni utilizzate in tutto, dalla plastica alla crema solare, non sono mai state testate per la sicurezza negli esseri umani. Nel 2016, il Congresso ha approvato il Lautenberg Chemical Safety Act, modificando il TSCA per chiudere la scappatoia delle sostanze chimiche industriali. La legge ha incaricato l’EPA di valutare le sostanze chimiche esistenti con scadenze chiare e applicabili, e di sviluppare valutazioni chimiche basate sul rischio. Ha promosso l’uso di metodi di test non animali, una mossa voluta sia dall’industria che dai gruppi per i diritti degli animali.

Le alternative animali potrebbero avere dei limiti

Il nuovo piano dell’EPA introduce una linea temporale aggressiva per accelerare lo sviluppo di test non animali che possono prevedere accuratamente la tossicità negli esseri umani. Volz ha detto che gli Stati Uniti sono in ritardo rispetto ad altri paesi del mondo, che hanno già ridotto notevolmente i test sugli animali. Ha detto che interagisce con sempre meno studenti interessati alla ricerca che coinvolge esperimenti sugli animali, e che la nostra cultura si sta spostando verso il desiderio di ridurre la sofferenza degli animali.

Ma né Volz né zur Nieden sono sicuri che i test sugli animali potranno mai essere sostituiti completamente, una posizione ripresa dalla nota dell’EPA, che afferma che dopo il 2035, i test sugli animali saranno approvati caso per caso. Alcune sostanze chimiche, per esempio, non sono direttamente tossiche per le cellule, ma diventano tossiche dopo essere state metabolizzate nel corpo.

“Se il tuo risultato è che la sostanza chimica non interferisce con lo sviluppo di una cellula staminale umana in un piatto, quanto puoi essere sicuro che non stia realmente accadendo negli esseri umani? Il modo migliore che abbiamo per valutarlo è un esperimento animale”, ha detto zur Nieden. “Allo stesso tempo, vogliamo farlo in modo appropriato. Dobbiamo pensare: è davvero necessario? Possiamo esaminare la questione in un altro modo?”

zur Nieden pensa che abbiamo bisogno di un sistema a più livelli, con test in vitro per eliminare prima le sostanze chimiche più tossiche, e test sugli animali utilizzati quando i test in vitro non rivelano tossicità.

“Se non è possibile sostituire completamente un test sugli animali con un metodo in vitro, si può almeno diminuire la sofferenza dell’animale. Se si pensa a una sostanza chimica altamente tossica che ha effetti sulla mamma quando è esposta durante la gravidanza e sugli embrioni in via di sviluppo, se si può usare un sistema di test in vitro per trovare tutte queste sostanze chimiche fortemente tossiche, non sarà necessario testarle in un animale”, ha detto.

Le versioni precedenti del sistema di test che zur Nieden userà per la nuova ricerca sul muscoloscheletrico sono state in grado di identificare le sostanze chimiche embriotossiche per altri tessuti, come il tessuto cardiaco, con quasi il 100% di precisione.