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CULTIVO CELULAR

Organoide cultivado a partir de una sola célula madre mamaria. Crédito: Geoffrey Wahl, Christopher Dravis.

Escrito por

Alex Boussommier-Calleja, PhD

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El cultivo celular está ahora más cerca que nunca de los pacientes, lo que demuestra el enorme progreso que se ha logrado en el último siglo. Aquí, examinamos más de cerca la evolución del cultivo celular y destacamos los campos científicos clave que han aprovechado el cultivo celular como unherramienta invaluable.

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la investigación médica tiene como objetivo desentrañar con intrincados detalles cómo funcionan nuestros cuerpos, tanto en situaciones normales como patológicas. El enfoque más antiguo ha sido estudiar directamente nuestros cuerpos in situ . Es decir, en su lugar original, estudiaríamos el cuerpo humano observándolo externamente o internamente mediante cirugía. El siguiente paso fue el aislamiento de los tejidos para poder estudiarlos fuera del cuerpo ex vivo , con más flexibilidad y con mayor resolución gracias al advenimiento de la microscopía. Sin embargo, estos tejidos macroscópicos eran difíciles de mantener vivos y enmascaraban una capa completa de complejidad definida a nivel celular, lo que limita nuestros conocimientos.

Aquí es donde entra en juego el cultivo celular. A fines del siglo XIX, los científicos comenzaron a aislar células para mantenerlas vivas fuera del cuerpo in vitro latín para "en vidrio". Esto significaba que era posible resolver más fácilmente los componentes celulares de los tejidos y estudiarlos como se comportarían normalmente con el tiempo en el cuerpo humano. Ahora usamos el cultivo celular de muchas maneras en muchos campos; para observar las vías celulares patológicas, como un medio para probar medicamentos y como una forma de regenerar tejidos o incluso para crear vida directamente. Aquí, revisamosdonde se encuentra el cultivo celular, explore la dirección que está tomando y resalte las áreas de investigación que se benefician de las técnicas de cultivo celular.

Células endoteliales aórticas primarias de ratón transgénico incrustadas en geles de colágeno 3D. Crédito: Robert S. Fischer y Clare M. Waterman.
Células HEI-193 de schwannoma humano inmortalizadas de un paciente con neurofibromatosis tipo 2. Crédito: Shanta Messerli y Michael Shribak.

Células primarias vs.inmortalizadas: un tira y afloja constante

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Si bien los primeros experimentos de cultivo celular se basaron en el uso de ells o "células primarias" recién aisladas, esto no aseguró que los científicos tuvieran a mano un tamaño suficiente para los experimentos. Esto se debe a que la mayoría de las células primarias sanas solo replican una ciertavarias veces antes de que alcancen la senescencia y mueran. Además, su replicación en el laboratorio puede ser aún más limitada debido a las condiciones antinaturales encontradas in vitro , o errores de manipulación por ejemplo, contaminación.

Muy rápidamente, el progreso en el campo de la oncología ayudó al desarrollo de una gran cantidad de líneas celulares inmortalizadas, que son células que están destinadas a evitar la senescencia y, por lo tanto, generar un gran y confiable número de células para su uso en el laboratorio.

Esto plantea la pregunta: ¿por qué usar células primarias? Simplemente porque reflejan más fielmente las células que se encuentran dentro y entre los pacientes, lo cual es vital para revelar el verdadero efecto de los medicamentos. No han pasado por mutaciones oselección clonal como puede ser el caso de las líneas celulares que se cultivan repetidamente. Sin embargo, son más caras y complicadas de encontrar y mantener vivas en el laboratorio. Por otro lado, la homogeneidad de las líneas celulares puede ayudar a estandarizar los resultados.en laboratorios y experimentos.

Por lo tanto, existe un tira y afloja constante entre el uso de células primarias e inmortales, y un candidato intermedio gana cada vez más atención: los xenoinjertos derivados de pacientes o las células que se cultivan en ratones en lugar de animales. Este cultivo de células in situ evitaría la selección antinatural ejercida por el 2D in vitro entorno, pero aquí, el cultivo celular en 3D podría ayudar.

Cultivo de células 3D de esferoides de células epiteliales mamarias humanas que expresan Myc.
Crédito: Ewa Krawczyk.
Película representativa de lapso de tiempo de un organoide mamario de ratón normal en un colágeno 3D. Crédito: Andrew Ewald, CC BY 3.0 .

La carrera hacia la tercera y cuarta dimensión

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cconocer la importancia de las fuentes celulares era solo una parte de la imagen. Luego, me di cuenta de que medio ambiente los cultivamos en era primordial. Por lo general, las células se cultivan en placas en 2D. Si bien no es representativo de cómo vivían las células en los tejidos 3D, este fue un punto de partida fácil y económico. Pero los científicos han tenido que enfrentarse asus limitaciones menos obvias: las células en 2D parecen expresar genes y responder a los medicamentos de manera diferente a las que se encuentran en 3D, 1 que se convirtió en un punto de no retorno para el cultivo celular.

Habíamos reconocido lo importante que era la tercera dimensión y la necesidad de recrearla in vitro . Las células se cultivaron por primera vez dentro de hidrogeles 3D que imitaban la matriz extracelular que evolucionó hacia sistemas de cultivo celular más sofisticados: sistemas de microfluidos, como órganos en chips. Estos proporcionaron un control único sobre el microambiente bioquímico y biofísico de las células cultivadas en 2D.o 3D a escalas de longitud fisiológicas en compartimentos definidos por el usuario de tamaño micro.

Un avance reciente parece haber sacudido el mundo del cultivo celular: los organoides. 2 Estos son tejidos específicos de órganos y autoensamblados derivados de células madre que recapitulan de manera más ingenua el fenotipo y el genotipo de tejido. Para combinar lo mejor de ambos mundos, los organoides ahora se utilizan en chips de microfluidos. 3

Antes de que el cultivo celular pasara al ámbito de la 3D, ya había entrado en otra dimensión: el tiempo. Los científicos sabían que al mirar solo las células en puntos de tiempo determinados, se perderían un mundo de información cinética, como la migración celular quees fundamental para muchas enfermedades. Por lo tanto, la microscopía de lapso de tiempo comenzó a ganar terreno, donde se obtuvieron imágenes de las células a lo largo del tiempo. Combinado con el cultivo de células en 3D, esto se convirtió en un cultivo de células en 4D, que brinda nuevos conocimientos inigualables, aunque con algunas complicaciones logísticas que aún deben serdomesticado para que esta técnica se convierta en el nuevo "estándar de oro".

investigación sobre el cáncer

Células tumorales de mieloma verde y células óseas rojas que crecen en un andamio hecho de proteína de seda violeta, que está diseñado para parecerse al material óseo. Crédito: Michaela Reagan.

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el cultivo celular y la investigación del cáncer se han entrelazado íntimamente, dado que los conocimientos sobre la investigación del cáncer han ayudado al desarrollo de líneas celulares. Un siglo después, el cultivo celular ha devuelto el favor con interés, los grupos ahora están desarrollando modelos específicos de órganos para desarrollar órganos-terapias específicas para pacientes con cáncer. Hassell et al. 4 utilizaron un modelo de pulmón en un chip bien caracterizado para replicar y estudiar el cáncer de pulmón de células no pequeñas a medida que progresa alrededor del epitelio alveolar durante la respiración normal. Demostraron que el estiramiento cíclico del epitelio pulmonar suprime la proliferación e invasión de células cancerosas., y que las células tumorales mostraron resistencia a los medicamentos, debido al estiramiento cíclico.

Imagen de inmunofluorescencia de fibroblastos de pulmón IMR90 humanos teñidos para vinculina verde y actina filamentosa magenta. Crédito: Andrés J. García, Ankur Singh.
Montaje de micrografía electrónica de barrido de células HeLa cultivadas.
Crédito: Anna Baccei, Marian Rice.

Biología celular

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aprendemos a mantener y diferenciar las propias células del paciente in vitro , se están abriendo una amplia gama de oportunidades, especialmente dentro de la medicina personalizada. La mejora en el cultivo celular podría permitir recrear un in vitro avatar del paciente, ayudando a observar su respuesta específica a los medicamentos, alternativamente este avatar podría usarse como diagnóstico 5 y herramienta complementaria a medida que evoluciona la enfermedad. Terrenoire, C. et al. 6 usó células madre pluripotentes inducidas iPSC derivadas de un paciente que padecía arritmia cardíaca para identificar la mutación en juego y diseñó una terapia personalizada. Usando las iPSC del paciente, generaron cardiomiocitos e identificaron una mutación in vitro en un canal de sodio como responsable de la arritmia. Al estudiar estas células, los autores pudieron rastrear el origen de la arritmia en un canal de sodio defectuoso y mejorar el manejo de la enfermedad de una manera específica para el paciente.

neurobiología

Células madre neurales de rata diferenciadas teñidas para β III-Tubulina en verde para revelar neuronas, GFAP en rojo para revelar células gliales y DAPI en azul para etiquetar núcleos. Crédito: Natalie Prigozhina.

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las enfermedades egenerativas son una carga importante para nuestra sociedad que envejece y son particularmente difíciles de estudiar in vivo . Recreando la barrera hematoencefálica de forma precisa in vitro el uso de órganos en chips está resultando clave para comprender los mecanismos subyacentes a estas enfermedades que podrían revertirse farmacológicamente. Shin et al. 7 recreó un modelo de barrera hematoencefálica BBB ​​en un chip de microfluidos compuesto de células neuronales y células vasculares que imitan el fenotipo de la enfermedad de Alzheimer. Con este modelo, pudieron medir con precisión la permeabilidad de la BBB y probar medicamentos que pueden alterarla. ReducirLa permeabilidad vascular evitó el daño a las células neuronales, lo que sugiere una estrategia potencial para ralentizar la progresión de la enfermedad neuronal.

Células de cáncer colorrectal humano tratadas con un inhibidor de la topoisomerasa y un inhibidor de la proteína quinasa ATR. Crédito: Yves Pommier, Rozenn Josse.
Célula de cáncer de mama triple negativa que experimenta retracción y apoptosis después del tratamiento con una combinación de cisplatino y mdivi-1. Crédito: Wei Qian.

toxicología de fármacos

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La toxicidad de la alfombra ha avanzado enormemente gracias a los avances en el cultivo celular. La toxicidad específica de órganos se puede modelar mejor gracias a los modelos de órgano en chip. Los cuerpos en chips hechos de varios órganos en chips también son excelentesprometedores, dado que pueden ayudar a comprender los procesos sinérgicos entre varios órganos involucrados en el metabolismo de los fármacos, como el intestino y el hígado. Además, ahora estamos aprendiendo a diferenciar las células madre del paciente en enfermas y órganos sanos. Esto significa que un fármaco que ayuda con la enfermedad también se puede probar en los tejidos sanos del paciente para garantizar que se evite la toxicidad fuera del objetivo.

El cultivo celular está ahora más cerca que nunca de los pacientes, lo que demuestra el enorme progreso que se ha logrado en el último siglo.

Si bien los avances científicos son y deben perseguirse para comprender mejor las enfermedades, un esfuerzo por automatizar y controlar la calidad del cultivo celular también debe convertirse en una prioridad. Se puede decir con seguridad que el cultivo celular ha entrado ahora en el ámbito de la medicina personalizada, si no lo inició. Quizás la pregunta más importante es qué tan práctico y confiable puede llegar a ser como tratamiento en el punto de atención.

Mejorar la eficiencia y la economía a lo largo del desarrollo bioterapéutico

El cultivo celular es una herramienta esencial que se utiliza durante todo el desarrollo bioterapéutico: para realizar los primeros ensayos basados ​​en células y, posteriormente, para producir mayores cantidades de producto utilizando biorreactores. Determinar con precisión la concentración de anticuerpos y otras proteínas es vital para la selección de líneas celulares.para el desarrollo y la optimización de la producción bioterapéutica.

Aprenda a mejorar la eficiencia y la economía en el desarrollo de procesos y la fabricación de productos bioterapéuticos.

Más información
Referencias
  1. Myungjin Lee, J. et al. 2013 Un microambiente tridimensional altera la expresión de proteínas y la quimiosensibilidad de las células epiteliales de cáncer de ovario Investigación de laboratorio in vitro . 93, 528–542.
  2. Xu, H. et al. 2018 Tecnología y aplicaciones de organoides en la investigación del cáncer. J. Hematol. Oncol. 1–15. Doi: 10.1186 / s13045-018-0662-9
  3. Kasendra, M. et al. 2018 Desarrollo de un intestino delgado humano primario en un chip utilizando organoides derivados de biopsia. Rep. Sci. 8, 1–14.
  4. Hassell, BA et al. 2017 Los modelos de chips de órganos humanos recapitulan el crecimiento del cáncer de pulmón ortotópico, las respuestas terapéuticas y la latencia del tumor Rep. Celular in vitro 21, 508–516.
  5. Benam, KH et al. 2016 Small Airway-on-a-chip permite el análisis de la inflamación del pulmón humano y las respuestas a los fármacos Métodos nativos in vitro 13, 151–7.
  6. Terrenoire, C. et al. 2013 Células madre pluripotentes inducidas utilizadas para revelar acciones de fármacos en una familia de síndrome de QT largo con genética compleja. J. Gen. Physiol. 141, 61–72.
  7. Shin, Y et al. 2019 Disfunción de la barrera hematoencefálica en 3D in vitro Modelo de la enfermedad de Alzheimer. Adv Sci Weinh . 12 de agosto 6 20: 1900962