Coincidint amb el dia mundial de la Diabetis, investigadors de l’IBEC fan públic un estudi en què combinen cèl·lules musculars i de pàncrees en un mateix xip i demostren que la producció d’insulina pel pàncrees durant l’exercici físic s’indueix per la contracció de les cèl·lules musculars.
El nou xip és una potent eina per desenvolupar i testejar nous fàrmacs contra la diabetis, i permet una modelització personalitzada de la malaltia, ja que pot utilitzar cèl·lules del mateix pacient. Aquest model permetrà estudiar detalladament perquè falla la producció d’insulina pel pàncrees en les persones diabètiques combinant diferents tipus cel·lulars.
Segons l’Organització Mundial de la Salut, 422 milions de persones al món pateixen diabetis mellitus, i 1,5 milions de morts cada any s’associen directament a aquesta malaltia. La diabetis és una complexa malaltia metabòlica caracteritzada per una alta acumulació de glucosa en la sang, com a resultat d’un defecte en la producció o en l’activitat de la insulina. La insulina és una hormona produïda, emmagatzemada i alliberada pel pàncrees, i és la que possibilita que la glucosa entri en les diferents cèl·lules del cos per a proporcionar l’energia que necessiten per a funcionar correctament.
Els músculs són una de les principals dianes de la insulina i són crucials en el manteniment global dels nivells de glucosa en tot el cos. Els models fisiològics actuals d’estudi in vivo en humans o animals permeten estudiar l’efecte de l’exercici físic sobre la secreció d’insulina, però no determinar si aquest efecte es deu a la contracció muscular o a algun altre òrgan mediador d’aquesta senyalització. D’altra banda, els estudis in vitro amb cultius tradicionals en 2D no permeten analitzar en temps real la interacció entre les cèl·lules musculars i les cèl·lules pancreàtiques, i tampoc recreen l’estructura 3D dels teixits i òrgans, molt rellevants en la seva fisiologia.
El desenvolupament de nous fàrmacs per a prevenir i tractar la diabetis ha d’estar basat en eines que tinguin en compte la comunicació entre el pàncrees i els altres òrgans perquè puguin recrear els detalls de la malaltia.
En un recent estudi publicat a la revista Advanced Materials Technology, investigadors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), liderats per Juan M. Fernández-Costa i Javier Ramon-Azcon, del laboratori “Biosensors per a Bioenginyeria“, han desenvolupat un “multi-organ-on-xip” que permet, en un mateix dispositiu, estudiar la comunicació entre les cèl·lules del pàncrees que produeixen insulina i les cèl·lules musculars. En aquest innovador “gimnàs en un xip”, els investigadors han estimulat elèctricament les cèl·lules musculars per a induir la seva contracció, i han vist que això indueix directament la producció d’insulina per les cèl·lules del pàncrees.
El “gimnàs en un xip”
En aquest nou dispositiu de bioenginyeria els investigadors de l’IBEC han posat, d’una banda, cèl·lules de múscul esquelètic, els músculs que estan units als ossos i que ens proporcionen mobilitat, i, d’altra banda, cèl·lules de pàncrees, concretament illots pancreàtics formats per cèl·lules Beta, les que produeixen insulina.
En créixer i desenvolupar-se, aquestes cèl·lules formen estructures en 3D que simulen d’una certa forma un “mini-òrgan”, i encara que es troben en compartiments diferents, el “multi-organ-on-xip” té diminuts canals que permeten comunicar de manera controlada i monitorar, a demanda i en diferents situacions, l’intercanvi de senyals i de compostos entre ells.
Les cèl·lules musculars del “multi-organ-on-xip” estan connectades a un estimulador elèctric que indueix la seva contracció simulant l’exercici físic. A més, el dispositiu també està integrat a una complexa plataforma de biosensors capaç de monitorar, sense necessitat de marcatge extern, els nivells d’insulina produïts per les cèl·lules del pàncrees i els nivells d’interleuquina 6 (IL-6). Aquesta proteïna reguladora es produeix pel múscul i senyalitza al pàncrees que augmenti la producció d’insulina. En altres paraules, durant l’exercici físic, la IL-6 va del múscul cap al pàncrees per a estimular la producció d’insulina.
“Amb el nostre “gimnàs en un xip” vam demostrar que la secreció d’insulina pels illots pancreàtics durant l’exercici està mediada dinàmicament per l’activitat contràctil de les cèl·lules musculars i no per altres intermediaris”. Juan M. Fernández-Costa, primer autor de l’estudi.
El futur dels “multi-organ-on-xip”
La nova plataforma multiorgànica in vitro desenvolupada per l’IBEC està acoblada a una plataforma de detecció que presenta una sèrie d’avantatges respecte als sistemes de detecció actuals, ja que té un cost de fabricació abordable i dispensa la utilització d’anticossos marcats. A més, es connecta fàcilment a altres dispositius de “organ-on-xip” i permet un monitoratge en temps real i amb gran sensibilitat del metabolisme dels òrgans implicats.
“Els dispositius de “organ-on-xip” representen amb precisió la fisiologia dels òrgans in vivo i permeten estudiar la cinètica dels fàrmacs mitjançant l’estudi de la funcionalitat i la comunicació entre teixits”. Javier Ramon-Azcon, líder del grup Biosensors per a Bioenginyeria”
En aquest estudi, la nova plataforma ha permès monitorar in situ i en temps real, la comunicació entre el pàncrees i els músculs en la diabetis, i estudiar la dinàmica de secreció d’insulina per part dels illots pancreàtics en resposta a l’exercici muscular induït per l’estimulació elèctrica. Representa un gran pas per a la modelització de la diabetis, l’estudi de la resistència a la insulina i la recerca de fàrmacs candidats a la teràpia. A més, aquesta nova eina contribuirà a reduir l’experimentació amb animals, en general llarga en temps I molt costosa econòmicament, amb limitacions ètiques i que dificulta l’extrapolació dels resultats als humans.
En un futur, el “muti-organ-on-xip” també es podrà utilitzar per a estudiar la comunicació entre altres òrgans en el context de diverses malalties metabòliques, sent una plataforma prometedora per la selecció de nous fàrmacs i per a la medicina personalitzada.
Article de referència: Training-on-a-Chip: A Multi-Organ Device to Study the Effect of Muscle Exercise on Insulin Secretion in Vitro. Juan M. Fernández-Costa, María A. Ortega, Júlia Rodríguez-Comas, Gerardo Lopez-Muñoz, Jose Yeste, Lluís Mangas-Florencio, Miriam Fernández-González, Eduard Martin-Lasierra, Ainoa Tejedera-Villafranca, and Javier Ramon-Azcon. Adv. Mater. Technol. 2022, 2200873.
