En biología, los esferoides son agregados tridimensionales de células que imitan la arquitectura y la función de los tejidos. En entornos que impiden la adhesión a las superficies, las células pueden, de hecho, autoensamblarse en estructuras esféricas, denominadas esferoides. En los últimos años ha crecido el interés por estas estructuras, ya que constituyen un modelo tridimensional más cercano al microentorno in vivo de las células en un organismo vivo que el clásico cultivo celular bidimensional. El cultivo celular tridimensional ofrece numerosas ventajas para la investigación médica, como la creación de modelos más predictivos que respalden el desarrollo de nuevas terapias.En este artículo del blog, exploraremos los fundamentos de la formación de esferoides celulares y profundizaremos en sus numerosas aplicaciones.
Formación de esferoides: ¿cómo se agrupan las células?
Existen varias formas de formar esferoides, pero los procesos biológicos que subyacen a esta agrupación celular son bastante complejos e implican diversos mecanismos celulares. De hecho, requiere la adhesión entre células vecinas a través de receptores transmembranales situados en la superficie celular, denominados integrinas, lo que da lugar a la agregación de las células. Esto conduce a la acumulación de otra proteína llamada cadherina, implicada en la adhesión celular. A continuación, esas células agrupadas crean uniones estrechas que refuerzan la adhesión celular inicial y también aumentan la compactación del esferoide. Además, durante el proceso de formación de los esferoides tienen lugar procesos complejos de remodelación del citoesqueleto, producción de la matriz extracelular (MEC) y otras señales intracelulares.
Tras su formación inicial, los esferoides pueden seguir creciendo —especialmente los esferoides tumorales— y pueden mantenerse en cultivo durante semanas. Pueden someterse a tratamientos y otras condiciones experimentales a las que reaccionarán mediante modificaciones en su arquitectura celular, la secreción de moléculas u otros comportamientos celulares. Con el tiempo, aparecerá un gradiente de nutrientes y oxígeno entre las capas internas de células y las externas. Los procesos celulares habituales pueden sufrir algunas modificaciones. Por ejemplo, la tasa de proliferación celular puede verse afectada en las células del núcleo, menos expuestas a los nutrientes y al oxígeno, lo que puede provocar apoptosis (muerte celular programada) o necrosis (muerte celular descontrolada).
¿Cuáles son las técnicas para formar esferoides celulares?
Los distintos tipos de células tienen diferentes propensiones a formar esferoides, de ahí que se hayan desarrollado varios métodos para favorecer la agregación celular. A continuación se ofrece una lista (no exhaustiva) de estas técnicas:
- Algunos tipos de células pueden agruparse de forma natural mediante la expresión de moléculas de adhesión celular. Por ejemplo, las células cancerosas suelen agruparse espontáneamente formando esferoides, que con el tiempo se convierten en tumores.
- Aunque algunas células pueden ser relativamente propensas a formar agregados, también pueden beneficiarse de cierta ayuda del entorno. Esta ayuda puede proporcionarse mediante la adición de componentes bioquímicos que favorezcan la adhesión célula-célula, como las integrinas, las cadherinas o los componentes de la matriz extracelular, entre otras muchas moléculas.
- También es posible utilizar recubrimientos de baja adhesión o no adherentes en las superficies del dispositivo utilizado para la agregación celular. Además, la restricción física del entorno podría favorecer la formación de esferoides mediante la forma específica de los pocillos (como los pocillos cónicos con salientes especiales que permiten un intercambio casi completo del medio, tal y como se observa en lasmicroplacas AKURA deInSphero ) o mediante el micropatroneado con diseños específicos en la superficie para guiar la agregación celular.
- Mantener las células en suspensión mediante agitación puede evitar que se adhieran a la superficie y favorecer los contactos entre ellas. Aunque se trata de un método bastante sencillo de aplicar, a menudo da lugar a una gran variabilidad en el tamaño de los esferoides.
- Los campos eléctricos y magnéticos, así como las ondas ultrasónicas o acústicas, también pueden utilizarse para favorecer la agrupación celular.
- La microfluídica también puede utilizarse para formar agregados celulares, lo que ofrece varias ventajas: menor consumo de reactivos, un entorno bien controlado, mayor homogeneidad en el tamaño entre esferoides de un mismo lote y de lotes diferentes, así como una mejor modelización y viabilidad celular gracias a la dinámica de fluidos.
- Otra opción muy habitual es utilizar el métodode la gota suspendida. Este método aprovecha la gravedad para facilitar las interacciones entre células en una gota de medio suspendida. Aunque esto se puede hacer sobre la tapa de una placa de Petri, se han desarrollado algunos dispositivos específicamente para mejorar la reproducibilidad y la producción a gran escala de estas gotas suspendidas.
Resumen de técnicas
| Técnica | Descripción |
|---|---|
| Agregación natural | Expresión de moléculas de adhesión celular. |
| Componentes bioquímicos | Favorecer la adhesión célula-célula. |
| Recubrimientos de baja adherencia o no adherentes | Mejorar la formación de esferoides. |
| Entorno restrictivo | Orientación de la agregación celular mediante formas específicas de los pocillos o micropatrones. |
| Suspensión y agitación | Evitar la adhesión a la superficie y favorecer los contactos entre células. |
| Campos físicos | Favorecer la agrupación de células mediante campos eléctricos y magnéticos, ultrasonidos u ondas acústicas. |
| Microfluídica | Formación de agregados celulares en entornos controlados. |
| Gota colgante | Aprovechar la gravedad para facilitar las interacciones entre células en una gota de medio en suspensión. |
¿Qué otros factores pueden influir en la agregación celular?
- La densidad celularinfluye en el proceso, por lo que es importante determinar el número óptimo de células para un volumen determinado, lo que favorecerá unas interacciones célula-célula eficaces para una formación satisfactoria de los esferoides. Si no hay suficientes células, los contactos célula-célula podrían ser insuficientes, lo que daría lugar a una agregación deficiente. Sin embargo, un exceso de células puede provocar un acceso deficiente a los nutrientes, estrés celular y, en última instancia, la muerte celular. Mantener una densidad celular constante también contribuirá a obtener esferoides homogéneos y uniformes, lo que permite realizar experimentos reproducibles.
- Cultivo celulary condiciones ambientales:todos los factores importantes para la viabilidad y el crecimiento celular también influirán en la formación de esferoides. De hecho, es importante contar con niveles suficientes de nutrientes y oxígeno, una temperatura óptima, unos niveles adecuados de pH y CO₂, y una composición del medio adecuada para el tipo de célula elegido. Si las condiciones no son óptimas, esto podría afectar a las interacciones y comunicaciones celulares e inducir estrés celular que podría llegar a provocar la muerte celular. Los metabolitos producidos por las células dentro del esferoide también influyen en otras células. En particular, es posible que los metabolitos producidos por las células situadas en el centro del esferoide no lleguen a las células de las capas externas, por lo que estas no estarán expuestas a los mismos metabolitos, ni a la misma concentración de los mismos, dependiendo de su ubicación dentro del esferoide. Esto repercute en la comunicación intercelular y también puede influir en las diferentes etapas de la formación de esferoides. Las fuerzas y condiciones mecánicas también contribuyen a la formación de esferoides, ya sean naturales o estén condicionadas por el método de agregación elegido.
- Las moléculas de adhesión y los componentes de la matriz extracelulardesempeñan un papel importante en la adhesión y la agregación celular. Fomentar la expresión de estas moléculas también puede ser un parámetro de ajuste.
¿Cuáles son los tipos de esferoides celulares?
Existen muchos tipos de esferoides, y cada uno de ellos aporta algo único a la investigación:
Esferoides tumorales multicelulares (MCTS)
Los esferoides tumorales multicelulares (MCTS) son fundamentales para la modelización de tumores sólidos. Estos esferoides, que se sitúan a medio camino entre el cultivo en 2D y los tumores in vivo, reproducen características cruciales de los tumores, como la formación de gradientes de nutrientes y el desarrollo de un núcleo hipóxico con menor acceso al oxígeno, pero también la comunicación intercelular fisiológica y la heterogeneidad celular. Al imitar fielmente el microambiente tumoral, los MCTS son esenciales para estudiar la biología del cáncer y evaluar terapias contra el cáncer.
Fuente: Kamatar, A.; Gunay, G.; Acar, H. «Biomateriales naturales y sintéticos para la ingeniería de esferoides tumorales multicelulares». Polymers 2020, 12, 2506 .
Esferoides de células madre
Derivados de células madre pluripotentes inducidas (iPSC), poseen la extraordinaria capacidad de diferenciarse en diversos tipos celulares. Esta versatilidad los convierte en un pilar fundamental de la investigación en medicina regenerativa e ingeniería de tejidos. Estos esferoides aportan información sobre el comportamiento de las células madre y sus posibles aplicaciones terapéuticas.
Cuerpos embrioides (EB)
Los cuerpos embrioides (EB), incluidos en la categoría anterior, se forman a partir de células madre embrionarias (CME) y células iPS. Se utilizan para estudiar el desarrollo embrionario temprano. También pueden servir como modelo para la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa y la especificación de linajes.
Imagen de fase de cuerpos embrioides (EB) en cultivo en suspensión tras 24 horas desde su formación. Los EB se crearon a partir de aproximadamente 1000 células madre embrionarias de ratón (línea celular D3). Barra de escala = 100 µm.
Fuente: Cuerpo embrioide. (22 de junio de 2024). En Wikipedia.
Esferoides específicos de tejido
A menudo se trata de esferoides de cocultivo, que presentan múltiples tipos celulares para imitar la complejidad de los tejidos, ya que estos no suelen estar compuestos por un único tipo celular. Estos esferoides facilitan el estudio de las interacciones célula-célula, la ingeniería de tejidos y la modelización de enfermedades. Ofrecen un modelo más relevante desde el punto de vista fisiológico al incorporar diversos tipos celulares que interactúan dentro de un tejido.
Esferoides hepáticos
Estos esferoides, compuestos por células hepáticas (hepatocitos, células no parenquimatosas y células estrelladas hepáticas), se utilizan para simular la función y las enfermedades del hígado, estudiar el metabolismo de los fármacos y realizar ensayos de toxicidad. Son capaces de reproducir actividades específicas del hígado, lo que los convierte en una herramienta valiosa para los estudios hepáticos.
Neurosferas
Las neuroesferas, derivadas de células madre neurales o células progenitoras, se utilizan para estudiar la neurogénesis, la diferenciación neural, las enfermedades neurodegenerativas y la ingeniería de tejidos neurales. Ofrecen un modelo dinámico para explorar las complejidades del sistema nervioso.
Cardiosferas
Las cardiosferas, compuestas por células progenitoras cardíacas, son fundamentales en la investigación sobre la regeneración cardíaca, los modelos de enfermedades cardíacas y los ensayos de cardiotoxicidad. Imitan el microambiente cardíaco, lo que permite comprender mejor la reparación del tejido cardíaco y los mecanismos de las enfermedades.
Adiposferas
Las adiposferas, formadas a partir de células del tejido adiposo, se utilizan para estudiar la adipogénesis, la obesidad, las enfermedades metabólicas y la evaluación de fármacos. Simulan el comportamiento y la función del tejido adiposo, incluyendo el almacenamiento de grasa y la secreción hormonal.
Siguiendo los ejemplos descritos anteriormente, es posible concebir esferoides para todos los órganos del cuerpo, siempre que se puedan determinar las condiciones experimentales óptimas y se realicen estudios comparativos con modelos existentes y in vivo para validar la pertinencia del modelo.
Esferoides inmunitarios
Estos agregados incluyen células inmunitarias, como linfocitos y macrófagos, para estudiar las respuestas inmunitarias, la inmunoterapia y las interacciones entre el tumor y el sistema inmunitario. Son esenciales para comprender cómo interactúan las células inmunitarias con otros tipos de células y cómo estas interacciones influyen en la progresión de la enfermedad y en los resultados del tratamiento.
Esferoides vascularizados
Describen esferoides de las categorías mencionadas anteriormente que contienen componentes vasculares o que se derivan de células endoteliales. Pueden utilizarse en la investigación sobre angiogénesis, biología vascular y ensayos farmacológicos relacionados con la formación de vasos sanguíneos. Estos esferoides ayudan a comprender la formación y la función de los vasos sanguíneos, lo cual es crucial para la ingeniería de tejidos y la investigación sobre el cáncer. La vascularización es esencial para el suministro de nutrientes y la supervivencia celular y, por lo tanto, también es fundamental para el desarrollo de modelos de esferoides relevantes y fisiológicos de diferentes tipos de tejidos.
Esferoide tumoral y red vascular generados en un dispositivo microfluídico.
Fuente: Nashimoto Y, Okada R, Hanada S, Arima Y, Nishiyama K, Miura T, Yokokawa R. Cáncer vascularizado en un chip: el efecto de la perfusión sobre el crecimiento y la administración de fármacos en el esferoide tumoral.
Biomaterials. Enero de 2020; 229:119547. doi: 10.1016/j.biomaterials.2019.119547. Publicación electrónica: 17 de octubre de 2019. PMID: 31710953.
¿Cómo se pueden aplicar los esferoides en la investigación médica?
El desarrollo de los cultivos esferoides ha aportado una dimensión totalmente nueva a la investigación médica. Estos agregados celulares constituyen modelos fiables y rentables para comprender mejor los mecanismos de las enfermedades, las vías biológicas y la eficacia y toxicidad de los tratamientos. Representan un nuevo modelo in vitro y una alternativa a los ensayos con animales que ofrece una mayor previsibilidad y una mejor traslación a los ensayos clínicos en humanos.
| Solicitud | Función |
|---|---|
| Pruebas de detección de drogas | Se utiliza para estudiar tanto la toxicidad como la eficacia de moléculas de nuevo desarrollo y de medicamentos actualmente autorizados, lo que contribuye a la reutilización de fármacos. |
| Modelización de enfermedades | Permitir una mejor comprensión de los mecanismos de las enfermedades y el esclarecimiento de las vías biológicas. |
| Medicina personalizada | Podría utilizarse para determinar el tratamiento más eficaz para cada paciente. |
| Investigación sobre el cáncer | Ofrece un modelo in vitro de tumores de calidad superior en comparación con los cultivos celulares bidimensionales, lo que facilita el estudio de la invasión tumoral, la metástasis y el desarrollo de terapias contra el cáncer. |
| Ingeniería de tejidos | Se utilizan como elementos básicos para desarrollar estructuras tridimensionales más grandes al fusionar varios esferoides. También pueden emplearse para reparar o sustituir tejidos dañados. |
| Terapia celular | Se utiliza para administrar células de forma fisiológica en el desarrollo de terapias celulares. |
Es probable que en el futuro se descubran muchas otras formas de utilizar los esferoides en la investigación y la terapia, sobre todo si se logran mitigar los inconvenientes actuales de los esferoides.
¿Cuáles son las limitaciones del uso de esferoides celulares?
A pesar de su papel fundamental en la investigación biomédica contemporánea, el cultivo en esferoides sigue presentando algunas limitaciones:
📏 Limitaciones de tamaño y reproducibilidad
Cuanto más grande es un esferoide, más se ve sometido a gradientes de nutrientes y, por lo tanto, a una posible necrosis celular en su núcleo. Además, es importante desarrollar un método de producción que garantice una buena homogeneidad de los esferoides para poder comparar los resultados de diferentes esferoides. También es importante tratar de desarrollar métodos estandarizados con el fin de obtener datos reproducibles.
🤖Automatización y escalabilidad
Aunque surgen muchas innovaciones en este campo, es importante desarrollar sistemas automatizados para la producción y el estudio de esferoides, con el fin de que resulten útiles para la investigación médica a gran escala.
🧑🔬 Conocimientos técnicos
Al principio, el cambio de 2D a 2D puede requerir algunas adaptaciones del equipamiento de laboratorio y formación técnica.
🔎Análisis limitado
Debido a su estructura tridimensional, algunas técnicas de evaluación, como las de imagen, pueden resultar complicadas. Puede resultar difícil acceder al núcleo del esferoide, lo que podría limitar el análisis a las capas externas.
🧩 Complejidad limitada
Aunque son más complejos que las monocapas bidimensionales, los esferoides siguen siendo menos complejos que los tejidos nativos en cuanto a arquitectura, vascularización, número de tipos celulares y funciones.
Conclusión
Los esferoides celulares presentan características muy prometedoras para una investigación más fisiológica, más predictiva y más eficaz. Su aplicación en numerosos campos los convierte en una herramienta versátil y valiosa para investigadores y profesionales de la medicina. La innovación constante en el campo de los esferoides durante los últimos años también ofrece perspectivas prometedoras sobre las posibles mejoras futuras.
Fuentes:
Białkowska K, Komorowski P, Bryszewska M, Miłowska K. Los esferoides como tipo de cultivos celulares tridimensionales: ejemplos de métodos de preparación y su aplicación más importante. Int J Mol Sci. 28 de agosto de 2020; 21(17):6225. doi: 10.3390/ijms21176225. PMID: 32872135; PMCID: PMC7503223.
Decarli MC, Amaral R, Santos DPD, Tofani LB, Katayama E, Rezende RA, Silva JVLD, Swiech K, Suazo CAT, Mota C, Moroni L, Moraes ÂM. Los esferoides celulares como plataforma de investigación versátil: mecanismos de formación, producción a gran escala, caracterización y aplicaciones. Biofabrication. 8 de abril de 2021; 13(3). doi: 10.1088/1758-5090/abe6f2. PMID: 33592595.
Lazzari, G., Couvreur, P. y Mura, S. (2017). Esferoides tumorales multicelulares: un modelo 3D relevante para la investigación preclínica in vitro de nanomedicamentos poliméricos. Polym. Chem. 8, 4947.
