Tecnología de órgano en un chip
¿Cómo Funciona?
- Simulación del Entorno del Hígado:
- Los investigadores han cultivado células de los vasos sanguíneos del hígado humano en el chip.
- Se introducen células inmunes humanas en el chip, y su comportamiento se observa mediante técnicas de imagen avanzada como la microscopía confocal y multiphotónica.
- Observación y Análisis:
- Esta configuración permite a los científicos seguir el movimiento y la adhesión de las células inmunes a las células endoteliales sinusoidales del hígado, proporcionando una visión detallada de las interacciones celulares en un entorno que imita el hígado real.
- Aplicaciones Potenciales:
- Pruebas de Inmunoterapia: La tecnología puede utilizarse para evaluar la eficacia de tratamientos de inmunoterapia, proporcionando una plataforma para pruebas preclínicas sin la necesidad de usar modelos animales.
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- Investigación del Cáncer: Permite un estudio más profundo de la dinámica de las células cancerosas y las respuestas inmunitarias, ayudando a desarrollar nuevas estrategias terapéuticas para el cáncer de hígado.
- Investigación de Enfermedades: Los órganos-en-un-chip permiten estudiar enfermedades humanas en un contexto más relevante que los modelos animales, lo que puede proporcionar información más precisa sobre la progresión de la enfermedad y la respuesta a los tratamientos.
- Desarrollo y Prueba de Medicamentos:
- Esta tecnología puede acelerar el desarrollo de nuevos medicamentos al proporcionar un modelo más preciso para probar la eficacia y la toxicidad de los compuestos farmacéuticos.
- Puede reducir la dependencia de las pruebas en animales, que a menudo no replican con precisión la biología humana.
- Medicina Personalizada: En el futuro, los órganos-en-un-chip podrían utilizarse para personalizar tratamientos médicos. Por ejemplo, se podrían cultivar células de un paciente en un chip para probar diferentes terapias y determinar cuál sería la más efectiva para esa persona específica.
Beneficios de la Tecnología de Órganos-en-un-Chip
- Precisión y Realismo: Ofrece un entorno más preciso y realista en comparación con los modelos tradicionales in vitro y animales, permitiendo un mejor entendimiento de los procesos biológicos humanos.
- Reducción de Pruebas en Animales: Al replicar las funciones humanas, esta tecnología puede disminuir la dependencia de modelos animales para la investigación y desarrollo de nuevos medicamentos.
- Aceleración del Desarrollo de Fármacos: Facilita el estudio de la respuesta de los tejidos humanos a diferentes compuestos, acelerando el proceso de descubrimiento y desarrollo de medicamentos.
El equipo de investigación logró cultivar exitosamente células de vasos sanguíneos del hígado humano en el chip, además de introducir células inmunes humanas en el mismo. Confirmaron la captura y adhesión de estas células utilizando microscopios, incluidas imágenes confocales y multifotónicas.
Ejemplos Recientes
Investigadores de la Universidad de Birmingham han demostrado que es posible replicar el entorno del hígado en un chip y utilizarlo para estudiar cómo las células inmunes se adhieren a las células endoteliales sinusoidales del hígado. Este avance promete mejorar las terapias de inmunoterapia al proporcionar un modelo más preciso para probar la eficacia de nuevos tratamientos contra el cáncer de hígado.
La tecnología de Órganos-en-un-Chip (Organ-on-a-Chip, OOC) combina elementos de biología celular con ingeniería microelectrónica para crear modelos de órganos humanos en miniatura. Aunque no se centra directamente en la electrónica en el sentido convencional de circuitos y dispositivos, la OOC utiliza tecnología microfluídica y sensores integrados para recrear ambientes biológicos complejos.
Aquí hay algunas formas en que la electrónica se relaciona con la tecnología de Órganos-en-un-Chip:
- Sensores y monitoreo: Los chips OOC a menudo incluyen sensores integrados para medir parámetros como pH, temperatura, presión y concentraciones de diferentes sustancias químicas. Estos sensores proporcionan datos en tiempo real sobre cómo reacciona el tejido celular al entorno dentro del chip.
- Control del entorno: La electrónica en los chips OOC puede controlar y ajustar precisamente las condiciones del entorno dentro del chip, como el suministro de nutrientes, la concentración de oxígeno y la mecánica del fluido circundante. Esto permite recrear condiciones fisiológicas más precisas.
- Interfaz con sistemas externos: Los chips OOC pueden estar diseñados para comunicarse con equipos externos mediante electrónica integrada. Esto es útil para la adquisición de datos, el control automatizado del entorno del chip y la integración con otros sistemas de análisis y procesamiento de datos.
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Desarrollo de fármacos y estudios de toxicología: La capacidad de monitorear y controlar condiciones específicas dentro de los chips OOC mediante electrónica permite realizar estudios detallados sobre cómo reaccionan los tejidos a los fármacos y a las toxinas, mejorando la precisión y la relevancia de los resultados.
La tecnología de Órganos-en-un-Chip marca un importante avance en la investigación biomédica al ofrecer un modelo in vitro más preciso de órganos humanos. Mediante el uso de cultivos celulares en microfluidos, los científicos pueden imitar las respuestas fisiológicas de los sistemas de órganos. Este enfoque promete ser una alternativa prometedora a los ensayos con animales, acelerando así el desarrollo potencial de nuevas terapias.
En la figura (A) se presenta el diseño de los instrumentos individuales dentro de la célula de trabajo. Estos instrumentos están controlados por un software integrado llamado Green Button Go, el cual facilita la configuración de los procesos.
En la figura (B) se describe un ejemplo de proceso para monitorear las células en cultivo. En este proceso, las placas se mueven desde el incubador al ImageXpress Confocal HT.ai para la captura de imágenes en campo claro, y luego son devueltas al incubador. Este proceso puede ser programado y las placas que requieren adquisición de imágenes pueden ser listadas para facilitar el procesamiento por lotes. Además, es posible implementar rutinas más complejas que incluyan el manipulador de líquidos para cambiar los medios de cultivo.
El principio de las 3Rs
El principio de las 3Rs se refiere a un enfoque ético y práctico para el uso de animales en investigación y pruebas, desarrollado para minimizar el sufrimiento animal y promover prácticas más humanitarias. Las 3Rs son:
- Reemplazo: Buscar métodos alternativos que no utilicen animales en lugar de procedimientos que causen dolor o estrés a los animales.
- Reducción: Utilizar métodos que permitan obtener la misma información con el menor número posible de animales, optimizando los diseños experimentales y estadísticos.
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Refinamiento: Mejorar las técnicas y procedimientos para minimizar el dolor y el sufrimiento de los animales utilizados, así como mejorar su bienestar general.
Dado que los cultivos celulares simples no pueden capturar adecuadamente la complejidad de un tejido, órgano o organismo completo, los científicos están desarrollando modelos más realistas. Entre estos modelos se encuentran los organoides, que son estructuras en tres dimensiones compuestas por uno o varios tipos celulares.
Izquierda: Un laboratorio de microfluídica combinando cultivo celular e ingeniería para crear nuevas tecnologías, como los dispositivos de organ-on-chip.
Derecha: Un organoide en tres dimensiones inspeccionado a través de un microscopio.
Tanto la sangre como los órganos tienen una saturación de oxígeno menor que la del aire, lo cual no se refleja en los cultivos celulares estándar. La mayoría de los tejidos y órganos están constantemente sometidos a fuerzas mecánicas: el corazón bombea sangre, los pulmones se expanden con la inhalación y los huesos soportan carga durante el movimiento. Para replicar estos aspectos físicos de los organismos, se utilizan bioreactores. Un bioreactor es un dispositivo que puede albergar células u organoides en tres dimensiones y permite controlar diversos parámetros ambientales como temperatura, pH y concentración de oxígeno.
En investigación biomédica se emplean varios modelos, como cultivos celulares en dos y tres dimensiones, organ-on-chip, modelos animales y ensayos en humanos. Por lo general, los sistemas más simples suelen tener una menor relevancia fisiológica.
Un dispositivo de microfluídica puede ofrecer información fisiológicamente relevante al introducir nutrientes y controlar otros parámetros biológicos esenciales, como la concentración de gases, la carga mecánica y el pH. Estos parámetros pueden ser monitoreados mediante sensores integrados.
Cuando se menciona un organ-on-chip, no se está hablando de un órgano completo en miniatura, sino de un modelo multicelular que replica ciertas partes específicas de un tejido y sus funciones. Estos modelos son como pequeños reactores biológicos que albergan células vivas imitando unidades funcionales clave de los órganos. En los organ-on-chip, las células reciben un flujo constante de nutrientes y se elimina eficientemente los desechos. Además, estos dispositivos permiten controlar parámetros como el pH, la concentración y la presión de gases para mejorar la relevancia biológica del sistema.
Esta imagen representa: Instrumentos de organ-on-chip combinan cultivos celulares en dos dimensiones o en tres dimensiones, o explantes de tejidos, con dispositivos de microfluídica que pueden incorporar parámetros biológicos fundamentales como perfusión o fuerzas mecánicas. Cuando se combinan más de un organ-on-chip se contruye una multi-organ-platform integrando así la comunicación entre órganos y simulando el cuerpo humano.
Finalmente aquí se muestra un ejemplo de un dispositivo organ-on-chip desarrollado en el Instituto Federal Alemán para la Evaluación de Riesgos. A la izquierda, se observa una unidad individual del dispositivo. A la derecha, se muestran cuatro unidades operando en paralelo y conectadas a instrumentos periféricos como bombas, sensores y reservorios.