¿Qué son los «órganos en un chip»?
Órganos en chip (OoC) o sistemas microfisiológicos (MPS) son sistemas microfluídicos que permiten el crecimiento de células para modelar tejidos biológicos. Estas plataformas combinan un entorno multicelular con una estructura bidimensional o tridimensional y señales mecánicas para imitar el entorno fisiológico de un órgano.
¿Por qué es importante el 3D en el cultivo celular?
Actualmente, los ensayos in vitro se realizan principalmente con un único tipo de célula, cultivada en 2D, en frascos o placas de poliestireno rígidos y planos. Aunque estas técnicas han resultado útiles para descifrar algunos fenómenos, está claro que no reproducen el entorno de las células dentro del cuerpo. En el cuerpo humano, los órganos están formados por múltiples tipos de células, dispuestas en una estructura tridimensional y rodeadas por la matriz extracelular y otros tejidos que suelen ser mucho más blandos que los plásticos. En las monocapas bidimensionales, la morfología y la polaridad celulares están forzadas y no son representativas de la realidad. Además, las limitaciones en cuanto al acceso a los nutrientes y a la propagación o migración son inexistentes en 2D y, de nuevo, no reproducen lo que ocurre en el interior del cuerpo. Las interacciones celulares con el entorno o con otros tipos de células también brillan por su ausencia en los modelos bidimensionales.
¿Por qué son importantes las señales mecánicas en el desarrollo celular?
Como se ha expuesto anteriormente, en el organismo, los tejidos están expuestos a diferentes tipos de fuerzas mecánicas procedentes de su entorno. Algunos órganos, como los músculos, están sometidos a ciclos de compresión y estiramiento que contribuyen al desarrollo y al destino de las células. Sin esas fuerzas mecánicas, la célula se comportaría de forma diferente; por ello, es importante reproducir esas fuerzas en un modelo in vitro tridimensional para imitar mejor las patologías y tener en cuenta este movimiento natural a la hora de desarrollar terapias. No solo hay que tener en cuenta la naturaleza de la estimulación biomecánica, sino también su amplitud, frecuencia y duración.
La circulación sanguínea es otro componente de la biomecánica del cuerpo. El tensión de cizallamiento inducida por el flujo en el interior de los capilares, los vasos y las arterias tiene un profundo impacto en las células endoteliales y en la remodelación general de los tejidos. Por lo tanto, es fundamental reproducir un tipo de flujo sanguíneo en esos nuevos modelos, tanto por razones mecánicas como biológicas. De hecho, la sangre transporta nutrientes a los tejidos y las células, y disponer de un flujo dinámico permite un suministro constante de nutrientes frescos, a diferencia de un cultivo estático, en el que el mismo medio puede permanecer durante varios días. Del mismo modo, los residuos metabólicos celulares se eliminarán de forma continua y no se acumularán en el cultivo celular, lo que podría provocar toxicidad en las células.
Thompson CL, Fu S, Heywood HK, Knight MM y Thorpe SD (2020) «Estimulación mecánica: un elemento crucial de los modelos de órganos en chip». Front. Bioeng. Biotechnol. 8:602646. doi: 10.3389/fbioe.2020.602646
¿Por qué se desarrollan los «órganos en chip»?
La necesidad de contar con esas herramientas en el ámbito de la investigación surgió en el proceso de descubrimiento de fármacos para dar respuesta a varias expectativas no satisfechas.
- Reducir los costes y la duración: en la actualidad, sacar un medicamento al mercado puede llevar hasta 20 años y costar miles de millones de dólares
- Reducción al mínimo de la experimentación con animales: los ensayos preclínicos de toxicidad y eficacia de los candidatos a fármacos se llevan a cabo con animales como roedores y primates. Cada año se utilizan millones de animales para simular la biología humana, lo que plantea consideraciones tanto éticas como de relevancia científica.
- Consigue modelos más relevantes de biología humana:se necesita un modelo humano sistémico para evaluar la toxicidad y la eficacia en condiciones más fisiológicas que los actuales modelos humanos in vitro oin vivoen animales.
Existen grandes esperanzas de que el desarrollo y el uso de nuevos modelos humanos en 3D puedan contribuir a aumentar la tasa de éxito de los ensayos clínicos, al tiempo que se reducen los costes y la duración del proceso de desarrollo de fármacos.
¿Para qué aplicaciones se puede utilizar la tecnología «órgano en chip»?
La tecnología «órgano en chip» puede utilizarse para diversas aplicaciones a lo largo de todo el procesode desarrollo de fármacos, incluido el estudio fundamental de la barrera hematoencefálica. Pueden utilizarse para modelar enfermedades con el fin de descifrar ciertos mecanismos, pero también para evaluar la seguridad y el metabolismo de los fármacos candidatos. Uno de los objetivos finales del desarrollo de los «órganos en chip» sería su aplicación ala medicina personalizada, utilizando células específicas del paciente sobre las que se podrían probar varias moléculas para elegir el tratamiento más eficaz para él. En general, para un uso óptimo y una mayor aceptación de los «órganos en chip» por parte de los investigadores, se deberían desarrollar modelos que se puedan combinar con técnicas de investigación clásicas, como la obtención de imágenes de alta resolución, la expresión de ARN y proteínas, o la medición de biomarcadores secretados por las células.
Referencias:
- https://www.upmbiomedicals.com/resource-center/learning-center/what-is-3d-cell-culture/2d-versus-3d-cell-culture/
- Franzen N, van Harten WH, Retèl VP, Loskill P, van den Eijnden-van Raaij J, IJzerman M. Impacto de la tecnología « organe sur puce » en los costes de I+D farmacéutica. Drug Discov Today. Septiembre de 2019; 24(9):1720-1724. doi: 10.1016/j.drudis.2019.06.003. Publicación electrónica: 8 de junio de 2019. PMID: 31185290.
- Thompson CL, Fu S, Heywood HK, Knight MM y Thorpe SD (2020) «Estimulación mecánica: un elemento crucial de los modelos de órganos en chip». Front. Bioeng. Biotechnol. 8:602646. doi: 10.3389/fbioe.2020.602646
Cultivo celular 3D: ventajas y desventajas
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