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Sistemas microfisiológicos: enfoques, aplicaciones y oportunidades

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Sistemas microfisiológicos: enfoques, aplicaciones y oportunidades

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Los sistemas microfisiológicos MPS, también conocidos como tecnologías de órgano en un chip o cuerpo en un chip, han ganado una atención considerable en los últimos años. Proporcionan un entorno fisiológicamente más relevante en comparación con los dos sistemas estáticos.ensayos de cultivo celular dimensional o modelos animales, ya que recapitulan más de cerca fisiología humana y los efectos posteriores de los medicamentos en múltiples tejidos. El desarrollo de tecnologías MPS ha sido impulsado por avances en varias áreas - Técnicas de cultivo celular 3D, microfluidos, ingeniería de tejidos y bioimpresión - que permiten la creación de varios componentes clave. En este artículo, destacamos los avances en el campo que han sido fundamentales para el desarrollo de MPS, así como aplicaciones clave y futurasoportunidades.

Hacia un cuerpo humano en un chip


“Hay muchos dispositivos de órgano en un chip, todos con propiedades diferentes”, explica
Mehmet R. Dokmeci , profesor asociado en el Instituto Terasaki. La investigación de Dokmeci incluye el desarrollo de sistemas de microfluidos para aplicaciones de órganos en un chip y bioimpresión 3D. Tiene más de 10 años de experiencia en ingeniería de tejidos, diseño de sistemas a nanoescala y biosensores.

Dokmeci se basa en su experiencia de primera mano desarrollando a
plataforma de hígado en un chip para proporcionar ejemplos de los diversos componentes necesarios para construir MPS: “[El dispositivo] necesitaría una bomba jeringa o bomba peristáltica para mover los fluidos, un dispositivo de microfluidos también podría llamarse microbiorreactor, y luego células océlulas dentro de biomateriales para colocarlas en el chip de microfluidos ”. Dokmeci y sus colegas crearon la plataforma para respaldar el cultivo a largo plazo de hígado bioimpreso esferoides - agregados esféricos de células - como herramienta para las pruebas de toxicidad de fármacos. El componente biorreactor del dispositivo se diseñó para permitir su interconexión con una bioimpresora para fabricar los esferoides hepáticos, que se encapsularon dentro de un hidrogel.

Transición de órgano en chip a cuerpo en chip


en un estudio separado, publicado en
PNAS , Dokmeci y colegas describió su trabajo en el desarrollo de una plataforma de múltiples órganos en un chip integrada multisensor para abordar el creciente interés y necesidad de MPS.

"Los modelos animales, aunque son el estándar de oro actual, no logran capturar la fisiología humana. Como muchos candidatos a fármacos fracasan en la clínica"

- Mehmet R. Dokmeci

El equipo diseñó la plataforma para incluir sensores en tiempo real, es decir, parámetros biofísicos y bioquímicos
podría ser monitoreado in situ . Estaba compuesto por una placa de control de flujo central, conectada a varios "módulos", como microbiorreactores para albergar los diversos organoides, un depósito, trampa de burbujas, sensores físicos y biosensores electroquímicos. La configuración dinámica significaba que los módulos individuales podían ser reemplazadoscomo y cuando sea necesario, sin tener que desmontar toda la plataforma.




Sin embargo, construir un dispositivo que abarque varias construcciones de tejidos para producir un entorno de múltiples órganos interconectados no es tarea fácil, como explica Dokmeci, “Encontrar un medio universal que satisfaga las necesidades de múltiples células u órganos es uno de los principales desafíos."

“Además, poder controlar el flujo de fluido entre diferentes sistemas a veces requiere microválvulas, lo que permite la automatización pero complica el diseño y la fabricación del sistema. En general, agregar más componentes complica el diseño”, agrega.

Aplicaciones


MPS permite a los investigadores reproducir interacciones complejas de múltiples órganos, ayudándoles a responder preguntas de investigación específicas. Hasta la fecha, MPS se ha utilizado para varias aplicaciones. Aquí destacamos cinco áreas clave de investigación y exploramos algunas con más detalle.

  • metástasis de cáncer . metástasis en un chip funciona integrando modelos complejos del tumor primario con el entorno metastásico p. Ej., Los sistemas organoides del intestino y el hígado usado para reflejar la metástasis del cáncer colorrectal.
  • Detección de drogas y toxicidad. MPS se está utilizando en desarrollo temprano de fármacos para identificar compuestos prometedores con potencial terapéutico y para determinar la seguridad de terapias nuevas y existentes.
  • Modelado de enfermedades. MPS se ha utilizado para imitar el eje bidireccional intestino-riñón que se cree que juega un papel clave en el desarrollo de la enfermedad renal. enfermedad neurodegenerativa y enfermedades infecciosas como COVID-19 también se están explorando utilizando MPS.
  • Medicina personalizada. MPS se puede usar para explorar los efectos de los medicamentos en pacientes individuales o grupos de pacientes, usando tejido derivado del paciente .

Predecir la permeabilidad de los fármacos con un sistema microfisiológico intestinal

En los últimos años, se han realizado esfuerzos para mejorar in vitro modelos utilizados en el desarrollo de fármacos preclínicos y la investigación de enfermedades. En particular, el uso de sistemas microfisiológicos MPS, también conocidos como tecnologías de órgano en un chip OOC, se ha generalizado. Descargue esta nota de la aplicación paradescubrir un MPS intestinal que tiene una morfología fisiológicamente relevante, integridad de barrera reducida y expresión de moco. También se puede utilizar para predecir la permeabilidad del fármaco a través de una barrera intestinal.

Descargar nota de la aplicación

Uso de sistemas microfisiológicos para abordar la toxicidad de los medicamentos


Prof. Anthony Atala
, director del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa WFIRM y sus colegas han desarrollado un nuevo MPS compuesto por varios tejidos organoide tipos para habilitar in vitro selección de candidatos a fármacos. “Hemos desarrollado un sistema de 'cuerpo en un chip' que nos permite diseñar un modelo avanzado [tridimensional] 3D del cuerpo humano utilizando un sistema de chips y dispositivos de microfluidos, creando una estructura en la que colocar los equivalentes de tejido humano, también conocidos como organoides ”, explica Atala.

Atala describe que al usar MPS, es posible "mejorar la efectividad y seguridad de los medicamentos, reducir el tiempo, los costos y los riesgos, y acelerar la medicina personalizada".

Para evitar la pérdida de los compuestos farmacológicos, el equipo eligió ensamblar su MPS con polimetilmetacrilato PMMA, en lugar de polidimetilsiloxano PDMS. Aunque el PDMS se ha utilizado ampliamente para fabricar chips de microfluidos hasta ahora, lo hizo puede causar pequeñas moléculas que se absorben en las paredes del chip, reduciendo la concentración "libre" de fármaco dentro del medio circulante, lo que afecta la biodisponibilidad del fármaco.

Atala explica que para crear el MPS emplearon estrategias como las que se utilizan para implantar tejidos modificados genéticamente en pacientes. “Primero determinamos los principales tipos de células presentes en el órgano específico y usamos células normales en las mismas proporciones que las presentes en los seres humanos.También usamos el 'pegamento' específico de tejido que mantiene unidas las células, la matriz extracelular ", dice. El equipo luego combinó los diferentes organoides de interés en un solo sistema inmovilizándolos en hidrogeles dentro de cámaras individuales.

Prueba del sistema microfisiológico WFIRM


en un estudio publicado en
Biofabricación , Atala y sus colegas probaron por primera vez la capacidad de organoides hepáticos humanos primarios 3D y organoides cardíacos 3D derivados de iPSC para evaluar la toxicidad usándolos para seleccionar un panel de medicamentos aprobados que tenían estado que causa efectos adversos, específicamente en el hígado y el corazón, en pacientes humanos. Posteriormente, la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. FDA ha retirado del mercado los medicamentos.

“Aunque inicialmente los fabricantes probaron estos medicamentos en cultivos celulares, animales y ensayos clínicos en humanos, no se observó toxicidad hasta que los medicamentos se usaron ampliamente en humanos, cuando se descubrió que estos medicamentos en realidad podrían ser dañinos para las personas”, señala Atala. Los organoides pudieron detectar toxicidad
en una dosis relevante para humanos y reflejan la fisiología humana, replicando el daño observado en pacientes del “mundo real”.

En el mismo estudio, el equipo reunió el WFIRM MPS, que comprende numerosos tipos de organoides, incluidos los organoides hepáticos y cardíacos antes mencionados, así como los organoides vasculares, pulmonares, testiculares y de colon o cerebro, y se dispuso a evaluar
su capacidad para emular in vivo toxicidad del fármaco. Se utilizó tinción de vivo / muerto y microscopía macro-confocal para confirmar la viabilidad del chip organoide durante 28 días. Para demostrar la dependencia del sistema del metabolismo hepático, el equipo comparó dos chips de múltiples órganos, uno con el hígadoorganoide y uno sin. El equipo seleccionó profármacos contra el cáncer utilizando cada uno de los sistemas.

El equipo optó por probar los dos MPS usando profármacos porque tienen poca o ninguna actividad hasta que el compuesto "original" se descompone en metabolitos farmacológicamente activos. Como el hígado es el sitio principal para el metabolismo, en su ausencia, el profármaco no se puede descomponer para producir el metabolito "tóxico"necesaria para matar las células cancerosas. Este escenario se reflejó con el WFIRM MPS: en presencia del organoide hepático, el profármaco se metabolizó dando como resultado la citotoxicidad de varios organoides posteriores. Sin embargo, para el MPS sin el organoide hepático, no hubo toxicidad posteriorfue observado.

versatilidad del sistema microfisiológico WFIRM


Según Atala, los organoides se pueden usar por separado o juntos en varias configuraciones y cantidades; por ejemplo, se pueden incluir 3, 6 o 12 organoides en un solo chip, ya sea en paralelo o en serie.

Atala explica: “Por lo tanto, podemos probar muchos parámetros, como los efectos de un fármaco en un órgano específico, y cómo se metaboliza y procesa el fármaco, o sus efectos transeúntes en otros órganos. El sistema, dependiendo de cuántos tejidosque utiliza, puede diseñarse para adaptarse a un área del tamaño de una caja de cerillas ".

Sistemas microfisiológicos personalizados


Como plataforma de medicina personalizada, MPS permite un nuevo estándar de atención, ya que se pueden adaptar para reflejar individual fisiología. Al crear organoides derivados del paciente interconectados, es posible probar la eficacia y seguridad de los tratamientos antes de someter a los pacientes a la terapia en la “vida real”.

“Esta es una de las principales promesas del campo de los órganos en un chip: poder 'tomar prestadas' células de los pacientes y probar los medicamentos en pacientes individuales de antemano”, explica Dokmeci.

"La invención de células madre pluripotentes inducidas iPSC ha ayudado a acelerar la investigación en este campo", agrega. MPS personalizado puede ser creado usando muestras de sangre, tejido humano primario y células derivadas de iPSC, como Dokmeci enfatizó anteriormente.

"La capacidad de realizar estudios con células tomadas de muchos pacientes de diferentes orígenes promete reducir o eliminar el retiro de medicamentos, algunos de los cuales son fatales".

- Mehmet R. Dokmeci

Al ajustar los parámetros del microambiente de cultivo celular en función de la información de salud de un paciente, es posible individualizar aún más el MPS. Si bien el MPS personalizado parece ofrecer un gran potencial, persisten desafíos, principalmente en relación con el acceso a la muestra del paciente y el permiso parautilizar los datos de salud del paciente.

Uso de sistemas microfisiológicos para estudiar COVID-19


El interés en el uso de MPS para investigar la fisiología pulmonar y los estados patológicos ha aumentado en el último año aproximadamente; esto se debe casi con certeza a la aparición del SARS-CoV-2 y la subsiguiente necesidad urgente de descubrir nuevos medicamentos y reutilizar los existentes.para combatir la enfermedad COVID-19.

“Hay esfuerzos de diferentes grupos en esta área”, explica Prof. Nureddin Ashammakhi , ex director asociado del Centro de Terapéutica Mínimamente Invasiva, UCLA. La investigación de Ashammakhi se centra en la bioimpresión 3D y el desarrollo de modelos de órganos en un chip para la medicina regenerativa y personalizada.

en un estudio reciente, publicado en Biodiseño y fabricación , Ashammakhi y sus colegas revisaron el desarrollo de MPS pulmonar para modelar la patología de COVID-19. Según Ashammakhi, al diseñar un MPS pulmonar es importante reflejar la organización y función únicas del órgano.

“Esto se logra diseñando un chip con una cámara para el aire, que representa el alvéolo y una cámara revestida con células endoteliales, que representa el vaso sanguíneo. Las dos cámaras están separadas por una membrana porosa que permite el movimiento de moléculas entre los dos lados," dice Ashammakhi .

Incluso es posible emular el movimiento de in vivo respiración mediante la aplicación de vacío en las cámaras que rodean la membrana epitelial-capilar, lo que hace que se estire. Este es un elemento importante, ya que se ha demostrado el estrés para influir en la permeabilidad de la membrana y la liberación de especies reactivas de oxígeno, así como otras moléculas.

“La patología de COVID-19 se puede organizar en las siguientes etapas: entrada del virus del SARS-CoV-2 por el receptor ACE2; inflamación o mal funcionamiento de la respuesta inmune innata; coagulopatía o desregulación de la coagulación; edema o hinchazón y acumulación de líquido; y fibrosiso cicatrices a través de la acumulación de tejido conectivo fibrótico ”, explica Ashammakhi.

Si bien seguramente existen beneficios al evaluar COVID-19 usando un solo dispositivo de pulmón en un chip, como Ashammakhi elude anteriormente, la naturaleza sistémica de la enfermedad significa que se necesitaría una MPS de múltiples órganos para reflejarefectos de los medicamentos que se están probando. “La inclusión de otros tipos de células, como las células inmunitarias, también es de suma importancia para desarrollar modelos relevantes, especialmente para estudios relacionados con infecciones”, enfatiza.

Oportunidades futuras


Los MPS continúan demostrando su valor en numerosas aplicaciones. Su desarrollo ha requerido una estrecha colaboración entre numerosas disciplinas y las innovaciones tecnológicas, como la inteligencia artificial IA, solo ayudarán a avanzar más en las capacidades de estos sistemas.

“La IA es muy importante en este sentido, puede hacer que los datos masivos obtenidos de múltiples chips MPS sean comprensibles para una multitud de variables; las relaciones [se pueden] identificar y se pueden sacar conclusiones”, dice Ashammakhi.

Conozca al autor
Laura Elizabeth Lansdowne
Editor gerente
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