En el campo de la investigación biomédica, los cultivos celulares 3D se han vuelto indispensables, permitiendo a los científicos explorar los comportamientos e interacciones celulares con mayor profundidad. La aparición de tecnologías como las placas microfluídicas para esferoides y el organe sur puce ha facilitado la transición del cultivo celular 2D al 3D, revolucionando la forma en que los investigadores estudian los sistemas biológicos. Entre estos modelos avanzados, los esferoides y los organoides 3D han destacado por su capacidad para imitar fielmente la estructura y función de tejidos y órganos, algo que los cultivos 2D tradicionales no pueden lograr. Esta publicación de blog explora las características distintivas de los esferoides y los organoides, señalando sus similitudes, diferencias y usos específicos en la investigación.
Introducción
En el dinámico panorama de la investigación biomédica, la llegada de los cultivos celulares tridimensionales (3D) ha revolucionado nuestra capacidad para estudiar sistemas biológicos complejos fuera del cuerpo humano. A diferencia de los cultivos bidimensionales (2D) tradicionales, que simplifican en exceso las interacciones celulares, los cultivos 3D como los esferoides y los organoides imitan con mayor precisión la intrincada estructura y función de los tejidos y órganos. Este avance es fundamental para obtener conocimientos más profundos sobre los procesos biológicos fundamentales, los mecanismos de enfermedades y las respuestas a fármacos en un contexto fisiológicamente más relevante. En la última década, los científicos han desarrollado soluciones innovadoras para cultivar células en 3D.
Los esferoides y los organoides se encuentran a la vanguardia de este cambio de paradigma hacia los cultivos 3D. Los esferoides, originados a partir de agregados celulares autoensamblados, son muy apreciados por su simplicidad y capacidad de escalado, lo que los hace ideales para aplicaciones de alto rendimiento (high-throughput) como el cribado de fármacos y las pruebas de toxicidad. Por el contrario, los organoides, derivados de células precursoras específicas de tejidos o células madre, replican la compleja arquitectura celular y funcionalidad de los órganos, lo que los hace invaluables para estudiar el desarrollo de órganos, la modelización de enfermedades y la medicina personalizada. Su uso creciente en diversos campos destaca su potencial para cerrar la brecha entre los estudios in vitro y las aplicaciones médicas, ofreciendo nuevos conocimientos e innovaciones en la investigación biomédica.
¿Qué son los esferoides?
Los esferoides son grupos celulares tridimensionales simples que pueden estar compuestos por un único tipo celular o por una mezcla de diferentes tipos celulares. Su arquitectura es sencilla. Sin embargo, esta simplicidad no disminuye su valor. Al proporcionar un entorno 3D, los esferoides permiten que las células interactúen entre sí y con su entorno de formas mucho más cercanas a lo que ocurre dentro del cuerpo en comparación con los cultivos celulares 2D tradicionales, donde las células crecen en una monocapa plana, ofreciendo así un modelo fisiológicamente más relevante.
Los esferoides se pueden producir utilizando varios métodos, como el método de la gota colgante, placas de ultra bajo anclaje y sistemas microfluídicos. Su creación y mantenimiento son relativamente sencillos y escalables, lo que los hace ideales para diversas aplicaciones de investigación, como el cribado de fármacos de alto rendimiento y las pruebas de toxicidad.
Por ejemplo, los esferoides tumorales se utilizan ampliamente en la investigación del cáncer para estudiar cómo crecen los tumores, se diseminan y responden a los tratamientos. Los esferoides de células madre son valiosos en medicina regenerativa, ya que ayudan a los científicos a comprender cómo se diferencian las células madre y cómo pueden utilizarse en la ingeniería de tejidos. Además, los esferoides de hepatocitos son importantes en la investigación hepática, en particular para evaluar la toxicidad y el metabolismo de fármacos.
¿Qué son los organoides?
Los organoides son estructuras tridimensionales diminutas cultivadas a partir de células madre que replican gran parte de la complejidad de los órganos reales. Estas versiones en miniatura pueden desarrollarse a partir de células madre pluripotentes o adultas, organizándose en arquitecturas tisulares similares a las de sus órganos de origen. Contienen múltiples tipos de células que interactúan de una manera que imita a los tejidos naturales, lo que los hace invaluables para la investigación.
Uno de los aspectos más notables de los organoides es su capacidad de autoorganización. A través de procesos como la clasificación celular y el compromiso de linaje espacialmente restringido, pueden formar estructuras complejas en un entorno de laboratorio. Esta autoorganización da como resultado una arquitectura tisular que se asemeja mucho a la que se observa en los órganos vivos. Los organoides no solo parecen órganos reales, sino que también realizan muchas de sus funciones, como la secreción, la absorción y diversas actividades metabólicas.
Los organoides se pueden crear a partir de una variedad de tejidos, incluidos el cerebro, el páncreas, el riñón y el intestino. Por ejemplo, los organoides cerebrales se utilizan para estudiar enfermedades neurodesarrollales y neurodegenerativas, mientras que los organoides intestinales son valiosos para la investigación de enfermedades gastrointestinales y la absorción de fármacos. Los organoides pancreáticos son fundamentales para investigar enfermedades como la diabetes y el cáncer de páncreas, así como para la prueba y el desarrollo de fármacos. Al imitar la estructura y función de los órganos reales, los organoides proporcionan una herramienta potente para comprender el desarrollo de órganos, la progresión de enfermedades y la eficacia de diferentes terapias.
¿Cuál es la diferencia entre esferoides y organoides?
A menudo se hace referencia a los esferoides y organoides de manera indistinta. Sin embargo, tienen significados distintos, ya que difieren significativamente en varios aspectos clave, lo que hace que cada uno sea adecuado para diferentes tipos de investigación.
A continuación se presentan las principales diferencias entre los cultivos celulares de esferoides y organoides 3D.
Composición celular
En cuanto a la composición celular, los organoides están formados por múltiples tipos celulares que se combinan para imitar la estructura y organización complejas de tejidos u órganos reales. Esto les permite reproducir fielmente la arquitectura celular del órgano de origen. Por otro lado, los esferoides se componen principalmente de un solo tipo celular o de una mezcla simple de diferentes tipos, careciendo de la organización tisular detallada que se observa en los organoides.
Complejidad
En lo que respecta a la complejidad, los esferoides presentan una estructura más simple, a diferencia de los organoides, que exhiben un mayor nivel de complejidad tanto en su morfología estructural como en sus capacidades funcionales.
Si bien los esferoides proporcionan un entorno más realista que los cultivos bidimensionales tradicionales, no poseen las características morfológicas y funcionales avanzadas de los organoides, los cuales pueden desarrollar rasgos intrínsecos específicos de los tejidos y desempeñar funciones características de las estructuras que representan.
Tamaño y escalabilidad
Respecto al tamaño y la escalabilidad, los organoides son generalmente más grandes y, en ocasiones, pueden alcanzar tamaños macroscópicos. Los esferoides, al ser más simples y pequeños, resultan más fáciles de manejar y cultivar en grandes cantidades. Sus sencillos requisitos de cultivo los hacen ideales para aplicaciones de alto rendimiento donde la escalabilidad es fundamental.
Condiciones de cultivo y cronograma
Los esferoides se pueden cultivar con o sin matriz extracelular (ECM), ya que algunas células generan su propia ECM durante la formación y solo requieren factores de crecimiento. Esta flexibilidad permite que los esferoides se formen con relativa rapidez, por lo general en un plazo de 2 a 3 días.
Por el contrario, los organoides tienen un cronograma de cultivo Longer, ya que requieren condiciones de crecimiento y nutrientes específicos. A menudo necesitan la adición de ECM y factores de crecimiento suplementarios para favorecer su complejo desarrollo y mantener sus estructuras. Esto se traduce en un periodo de cultivo Longer para los organoides, que suele demorar de 21 a 28 días o más en desarrollarse por completo, lo que refleja su mayor complejidad.
Mantenimiento
El mantenimiento de los esferoides a largo plazo puede resultar complejo debido a su estructura relativamente simple y a la ausencia de sistemas autosostenibles. Los organoides, gracias a su organización y funcionalidad más complejas, suelen exhibir viabilidad a largo plazo, lo que los hace idóneos para estudios prolongados sobre el desarrollo de órganos y la progresión de enfermedades.
Aplicaciones de los cultivos celulares 3D de esferoides y organoides
Los cultivos celulares 3D de esferoides y organoides desempeñan un papel fundamental en la investigación biomédica contemporánea. Actúan como herramientas versátiles en múltiples disciplinas científicas, permitiendo una exploración profunda de fenómenos biológicos complejos y el perfeccionamiento de enfoques terapéuticos dirigidos. Los esferoides y organoides poseen un amplio abanico de aplicaciones, ya que en conjunto mejoran nuestra comprensión de la dinámica celular, la patogenia de las enfermedades y las intervenciones terapéuticas, favoreciendo avances innovadores tanto en la medicina moderna como en las ciencias biológicas.
Aplicaciones de los esferoides
Los esferoides, debido a su facilidad de cultivo y escalabilidad, han encontrado numerosas aplicaciones en la investigación biomédica:
- Uno de sus usos más destacados se da en la investigación oncológica, donde los esferoides tumorales ayudan a los científicos a comprender los microentornos in vivo de los tumores, facilitando la predicción de la eficacia de los fármacos.
- Asimismo, los esferoides se emplean ampliamente en la evaluación toxicológica y el cribado de fármacos de alto rendimiento, proporcionando un contexto tridimensional más realista que representa mejor el entorno in vivo en comparación con los cultivos 2D tradicionales.
- También desempeñan un papel crucial en el estudio de las interacciones entre células y los efectos de factores ambientales, como sustancias químicas y radiación, sobre el comportamiento y la viabilidad celular.
- Además, en la investigación con células madre, los esferoides se utilizan para desarrollar cuerpos embrionarios a partir de células madre pluripotentes inducidas, las cuales pueden diferenciarse en células madre neurales de gran pureza para el estudio de enfermedades neurológicas y posibles tratamientos.
Aplicaciones de los organoides
Por otra parte, los organoides son especialmente adecuados para aplicaciones más complejas y especializadas debido a su elevado nivel de complejidad y funcionalidad:
- En la modelización de enfermedades, los organoides se utilizan para replicar diversas patologías, incluidos el cáncer y los trastornos genéticos, lo que ofrece un conocimiento profundo de los mecanismos patológicos y de los posibles tratamientos.
- Resultan inestimables en el descubrimiento de fármacos y en la medicina personalizada, ya que permiten evaluar la eficacia y toxicidad de los medicamentos en células específicas de pacientes, allanando el camino hacia planes de tratamiento individualizados.
- Los organoides también contribuyen de manera significativa a la comprensión de la biología del desarrollo, ayudando a los investigadores a estudiar los procesos de morfogénesis de los órganos y los efectos de las mutaciones genéticas. En la investigación del cáncer, por ejemplo, los organoides 3D aportan información sobre las firmas mutacionales de determinados tipos de cáncer al imitar la fisiopatología de los tumores humanos.
- Además, los organoides desempeñan un papel fundamental en la investigación con CRISPR (repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente espaciadas), una potente herramienta de edición genómica que ayuda a los científicos a estudiar el desarrollo de los órganos en el contexto de la edición de genes. Por ejemplo, los organoides neurales están mejorando nuestra comprensión de las enfermedades cerebrales, acercando a los investigadores a la resolución de las complejidades de las afecciones neurológicas.
Resumen
| Aspecto | Esferoides | Organoides |
|---|---|---|
| Representación visual |  |  |
| Definición | Clústeres celulares tridimensionales simples y de forma redondeada | Pequeñas estructuras tridimensionales cultivadas a partir de células madre |
| Composición por tipo celular | Compuestos principalmente por un solo tipo celular o una mezcla | Compuestos por múltiples tipos celulares que imitan órganos reales |
| Complejidad estructural | Estructura más simple | Alta complejidad con características detalladas específicas de tejido |
| Diversidad | Diversidad limitada | Imitan la diversidad de los órganos |
| Organización específica de tejido | Carece de una organización compleja específica de tejido | Replica fielmente la arquitectura celular de los órganos de origen |
| Funcionalidad | Funcionalidad limitada | Desempeña funciones características de los tejidos que representan |
| Tamaño | Por lo general, más pequeños | Por lo general, más grandes, a veces macroscópicos |
| Escalabilidad | Más fáciles de manipular y cultivar en grandes cantidades | Más complejos de cultivar y mantener |
| Condiciones de cultivo | Se pueden cultivar con o sin ECM; solo requieren factores de crecimiento | A menudo requieren ECM y factores de crecimiento suplementarios |
| Cronograma de cultivo | Se forman con relativa rapidez (2-3 días) | Longer cronograma de cultivo (21-28 días o más) |
| Mantenimiento | Difíciles de mantener a largo plazo | A menudo muestran viabilidad a largo plazo |
| Aplicaciones | Tamizaje de fármacos de alto rendimiento, pruebas de toxicidad, estudio de interacciones célula-célula y efectos ambientales | Modelado de enfermedades, descubrimiento de fármacos, medicina personalizada, comprensión de la biología del desarrollo e investigación con CRISPR |
| Ejemplos | Esferoides tumorales, esferoides de células madre, esferoides de hepatocitos | Organoides cerebrales, organoides intestinales, organoides pancreáticos |
| Investigación sobre el cáncer | Ayuda a comprender los microambientes tumorales y a predecir la eficacia de los fármacos | Proporciona información sobre las firmas mutacionales y la fisiopatología de los tumores |
| Investigación con células madre | Desarrolla cuerpos embrioides a partir de células madre pluripotentes inducidas | Ayuda en el estudio del desarrollo de órganos y la edición genética |
Conclusión
Los esferoides y los organoides representan avances críticos en las tecnologías de cultivo celular en 3D y son herramientas valiosas en la investigación biomédica. Juntos, han avanzado significativamente en nuestra comprensión de la biología humana y los mecanismos de enfermedades, y han facilitado avances en el descubrimiento de fármacos. De cara al futuro, el porvenir de las tecnologías de cultivo celular en 3D promete modelos aún más sofisticados. Estos avances probablemente mejorarán la precisión y la relevancia de los modelos experimentales, lo que permitirá a los investigadores estudiar procesos biológicos complejos y acelerar el desarrollo de nuevas terapias.
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