di Nicola Maggi

NUOVE FRONTIERE

VIRUS SENZA SEGRETI GRAZIE AL POLMONE ARTIFICIALE

New frontiers Viruses without secrets thanks to the artificial lung

Un piccolo gioiello di BIOINGEGNERIA in grado di mimare di il funzionamento del polmone umano, tanto da rappresentare oggi una NICOLA MAGGI delle frontiere più avanzate per comprendere come i virus interagiscono con i nostri alveoli. È quanto ha messo a punto lo staff della professoressa Arti Ahluwalia, direttrice del Centro di ricerca “Enrico Piaggio” dell’Università di Pisa, eccellenza italiana nei campi della robotica e della bioingegneria. Sviluppato in collaborazione con l’Helmholtz Lung Institute di Monaco di Baviera, questo modello di polmone umano in 3D è formato da 2 camere separate da una membrana elastica che riproduce i movimenti dei nostri polmoni durante la respirazione. Un generatore di aerosol invia poi nanoparticelle, permettendo ai ricercatori di studiare come queste si comportano una volta entrate nel nostro sistema respiratorio.

Il bioreattore polmonare che simula l’organo umano per sperimentare l’azione dei virus respiratori “Si tratta di un progetto iniziato cinque anni fa e pensato, inizialmente, per testare la tossicità delle nanoparticelle industriali, che hanno le stesse dimensioni di quelle dei virus – spiega la professoressa Ahluwalia –. Con l’arrivo della Pandemia, assieme ai colleghi tedeschi, abbiamo proposto alla Comunità Europea di utilizzarlo per uno studio su cellule polmonari di persone sane, contagiate e guarite, così da capire come mai, a seconda dei soggetti, queste rispondono in modo diverso al virus”. Tutte cose, aggiunge, che una semplice cultura cellulare non è in grado di rivelare, data la complessità delle nostre vie respiratorie, come non lo possono fare i test sugli animali, perché questi ultimi hanno un apparato respiratorio e delle cellule diverse dalle nostre. “Avendo una geometria molto precisa e una guida per l’aerosol – prosegue la direttrice del Centro Piaggio – questo sistema ci permette di fotografare con estrema precisione la dinamica delle nanoparticelle che entrano nel nostro sistema polmonare e come

queste interagiscono con le nostre cellule, danneggiandole”. “Sapere esattamente quante ne arrivano, dove e come si depositano – spiega ancora – ci dà la possibilità di lavorare su una base dati qualitativamente e quantitativamente elevata e di elaborare modelli matematici sempre più precisi, mentre fino ad oggi la comunità scientifica ha fronteggiato la pandemia con pochissime evidenze a disposizione”. I primi studi hanno così mostrato come le particelle del Coronavirus abbiano un ingres-

Arti Devi Ahluwalia, professore ordinario presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa e Direttore del Centro Ricerche “E. Piaggio”

so facilitato quando la barriera polmonare è maggiormente distesa. Ossia nella situazione tipica in cui si trovano i pazienti con problemi cardio-respiratori che, per ossigenarsi, devono respirare più forte divenendo così più suscettibili all’ingresso del virus. “Quello che stiamo facendo – prosegue la professo-

A gem of BIO ENGINEERING to mimic the functioning of human lung which represents one of the most advanced frontiers of understanding how viruses interact with our alveoli. Developed by the team of Professor Arti Ahluwalia (Director of the Research Centre “Enrico Piaggio” at the University of Pisa, in collaboration with the Helmholtz Lung Institute in Munich) this 3D model of human lung consists of 2 chambers separated by an elastic membrane that reproduces the mechanisms of our lungs while breathing. An aerosol generator then sends out nanoparticles, allowed researchers to study how these behave once they enter our respiratory system. “This project started five years ago and was initially thought to test the toxicity of industrial nanoparticles …– professor Ahluwalia explains – … With the spreading of the pandemic, together with German colleagues, we proposed to the European Community to use it for a study on healthy, infected and healed human lung cells, in order to understand why there are different responses to the virus in different patients”. A simple cell culture is unable to give such answers, given the complexity of our respiratory tract, nor can tests on animals, as their respiratory system and cells are different from ours. “With a very precise geometry and the possibility of guiding the aerosol, this system allows us to photograph with extreme precision the dynamics of nanoparticles that enter our pulmonary system and how these interact with our cells. “Knowing exactly how many nanoparticles arrive, where, and how they are deposited, gives us the possibility to work with a database of significant quantity and quality and to develop increasingly precise mathematical models”. The first studies have shown that Coronavirus particles have eased access when the pulmonary barrier is more relaxed. Typically, in patients with cardio-respiratory problems which, in order to oxygenate, must breathe harder. “What we are doing – continues Professor Ahluwalia – is obviously replicable with any other type of virus”. “It is a device that can help vaccine development, reducing test times and use of animal experiments. But it can also help to create more effective protective devices”.

ressa Ahluwalia – è ovviamente replicabile con qualunque altro tipo di virus”. “Si tratta di un dispositivo – conclude – che può essere di aiuto nello sviluppo dei vaccini, riducendo i tempi dei test e l’uso delle sperimentazioni sugli animali. Ma ci può aiutare anche a creare dispositivi di protezione più efficaci”.