En los últimos años se han producido avances importantes en plataformas de «órganos en un chip» (OoC) . Sin embargo, no existe un modelo «único para todo» y probablemente nunca lo habrá, dada la variedad de aplicaciones para las que pueden utilizarse estos dispositivos. Por lo tanto, conviene tener en cuenta varios parámetros clave a la hora de elegir o desarrollar una plataforma «órgano en chip» para conseguir el sistema que mejor se adapte a la cuestión científica que se desea resolver.
Si quieres saber más sobre los «órganos en chip», lee nuestro artículo: «Órganos en chip»: una visión general.
Diseño del dispositivo «Organ-On-Chip»
El diseño del chip es un elemento fundamental a tener en cuenta a la hora de desarrollar un modelo OoC. Depende de la aplicación específica para la que se vaya a utilizar el dispositivo. Esto determinará parámetros geométricos como el número, la forma y las dimensiones de los canales, el número de entradas y salidas, y la presencia de cámaras de cultivo, puertos o cualquier otro elemento necesario para llevar a cabo el estudio previsto. Desde el punto de vista biológico, también deben tenerse en cuenta durante el proceso de diseño el número de células, su densidad y el volumen de fluido. Una definición adecuada de estos elementos contribuirá a una modelización fisiológica precisa del órgano o las células objeto de estudio.
Otra cuestión que surge al implementar un modelo OoC es la necesidad de multiplexación —es decir, contar con varios diseños en una misma plataforma—, lo que a menudo determinará el formato de la plataforma. Disponer de varias réplicas en el mismo dispositivo puede suponer un gran ahorro de tiempo e incluso resultar necesario, sobre todo a efectos de ensayos farmacológicos.
El diseño de la plataforma también debe tener en cuenta los parámetros que el investigador desea analizar o medir con ella. Algunas lecturas relevantes para el estudio pueden requerir el acceso a partes específicas del chip para realizar los análisis. Por ejemplo, para identificar un biomarcador específico, puede resultar útil poder recoger efluentes varias veces a lo largo del estudio y, por lo tanto, prever un puerto especial que facilite la recogida de los medios. Asimismo, si es necesario realizar algún análisis de las células o el tejido al final del experimento, es importante poder recuperar dichas células o tejido de la plataforma.
Por último, otros parámetros logísticos, como el espacio que ocupa, su uso en una incubadora, la circulación del flujo y otros, pueden influir en cómo se va a utilizar la plataforma y, por lo tanto, en su diseño.
¿Cómo elegir el material adecuado para tu dispositivo «Organ-On-Chip»?
La elección del material reviste una gran importancia; sin embargo, no resulta tan fácil encontrar un material que cumpla todos los requisitos del experimento, por lo que es posible que haya que hacer concesiones a la hora de seleccionarlo. Entre los parámetros que influyen en esta selección se encuentran, por supuesto, la biocompatibilidad, pero también la estrategia de microfabricación elegida o disponible, los criterios de valoración que debe alcanzar el modelo, la rigidez del sustrato, la permeabilidad a los gases, las consideraciones relativas a la producción en serie y muchos otros.
Los principales materiales para los dispositivos «Organ-On-Chip»
En la actualidad, no existe ningún material ideal perfecto para los dispositivos OoC. En general, es preferible que el material elegido no sea tóxico para las células, sea permeable a los gases y permita la observación óptica. Existen varias opciones de materiales, cada una de las cuales presenta ventajas e inconvenientes en cuanto a parámetros fisicoquímicos, biológicos, económicos o prácticos.
De Campbell et al., 2021: verde: bueno; amarillo: regular; rojo: malo
El material más utilizado para los chips microfluídicos y la OoC es el PDMS (polidimetilsiloxano), principalmente por su facilidad de uso, su bajo precio y su transparencia óptica. Además, presenta una alta permeabilidad, lo que puede suponer tanto una ventaja como un inconveniente. Si bien permite un suministro adecuado de oxígeno a los cultivos celulares, también puede interferir en el metabolismo de los fármacos o en la producción de metabolitos por parte de los tejidos, con un mayor riesgo de que las pequeñas moléculas de interés sean absorbidas por la matriz polimérica.
Otros materiales que se utilizan habitualmente en la fabricación de chips sonlos termoplásticos.Su bajo coste, su baja absorción y su transparencia óptica constituyen ventajas importantes para la producción OoC (en serie). Sin embargo, la rigidez de los termoplásticos puede suponer un problema para la modelización fisiológica. En el cuerpo, la rigidez de los tejidos puede llegar a ser tan baja como unos pocos kPa en el caso del tejido adiposo o el cerebro, en comparación con los pocos GPa de los termoplásticos comunes. También puede resultar complicado crear geometrías complejas al trabajar con termoplásticos, lo que, por lo tanto, puede suponer una limitación para el diseño de los chips.
Otro material que se utiliza para los dispositivos OoC es el vidrio, que presenta la ventaja de ser muy transparente, inerte, biocompatible y de tener una baja autofluorescencia. La superficie del vidrio también se puede modificar fácilmente para ajustar la adhesión celular. Sin embargo, los dispositivos de vidrio son mucho más frágiles y caros, además de que su proceso de fabricación es más laborioso.
Esterilización de materiales y tratamiento de superficies
Una vez elegido un material, pueden surgir dudas sobre su esterilización o funcionalización.
La esterilización podría ser necesaria para evitar la contaminación microbiana del dispositivo, lo que podría interferir en el estudio realizado y en sus resultados. Existen numerosas técnicas de esterilización, como el tratamiento en autoclave, la exposición a rayos UV, el tratamiento con etanol, la irradiación gamma o el tratamiento con óxido de etileno. No todos estos métodos pueden utilizarse con todos los materiales mencionados anteriormente. Por ejemplo, aunque es seguro esterilizar en autoclave el policarbonato (PC), puede que no lo sea en el caso del PMMA. Por lo tanto, es importante elegir la técnica de esterilización adecuada para evitar dañar el material seleccionado.
El tratamiento de superficies también puede ser un paso necesario en el desarrollo de dispositivos OoC por varias razones: para garantizar la biocompatibilidad y para mejorar o impedir la adhesión celular. Una vez más, existen varias técnicas disponibles para lograr dichas funciones, y es necesario que haya compatibilidad tanto con el material del chip como con las células o los tejidos.
Referencias:
- Scott B. Campbell, Qinghua Wu, Joshua Yazbeck, Chuan Liu, Sargol Okhovatian y Milica Radisic – ACS Biomaterials Science & Engineering2021,7(7), 2880-2899 – DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c00640
- Toepke, Michael W., y David J. Beebe. «Absorción de moléculas pequeñas por el PDMS y sus consecuencias en aplicaciones microfluídicas».Lab on a Chip, noviembre de 2006.The Royal Society of Chemistry, https://doi.org/10.1039/b612140c
- Leung C.M., de Haan, P., Ronaldson-Bouchard, K.y otros.Guía sobre el método « organe sur puce ».Nat Rev Methods Primers2, 33 (2022). https://doi.org/10.1038/s43586-022-00118-6
- Yanping Wang, Yanfeng Gao, Yongchun Pan, Dongtao Zhou, Yuta Liu, et al., «Tendencias emergentes en los sistemas de « organe sur puce » para el cribado de fármacos», Acta Pharmaceutica Sinica B, volumen 13, número 6, 2023, páginas 2483-2509, ISSN 2211-3835, https://doi.org/10.1016/j.apsb.2023.02.006.
