Coincidiendo con el día mundial de la Diabetes, investigadores del IBEC hacen público un estudio en que combinan células musculares y de páncreas en un mismo chip y demuestran que la producción de insulina por el páncreas durante el ejercicio físico se induce por la contracción de las células musculares.
El nuevo chip es una potente herramienta para el desarrollo y testeo de fármacos contra la diabetes, y permite una modelización personalizada de la enfermedad ya que puede usar células del propio paciente. Este modelo permitirá estudiar en detalle porqué falla la producción de insulina por el páncreas en las personas diabéticas combinando diferentes tipos celulares.
Según la Organización Mundial de la Salud, 422 millones de personas en el mundo padecen diabetes mellitus, y 1,5 millones de muertes cada año se asocian directamente a esa enfermedad. La diabetes es una compleja enfermedad metabólica caracterizada por una alta acumulación de glucosa en la sangre, como resultado de un fallo en la producción o en la actividad de la insulina. A su vez, la insulina es una hormona producida, almacenada y liberada por el páncreas, y es la que posibilita que la glucosa entre en las diferentes células del cuerpo para proporcionarles la energía que necesitan para funcionar correctamente.
Los músculos son una de las principales dianas de la insulina y son cruciales en el mantenimiento global de los niveles de glucosa en todo el cuerpo. Los modelos fisiológicos actuales de estudio in vivo en humanos o animales permiten estudiar el efecto del ejercicio físico sobre la secreción de insulina, pero no determinar si ese efecto se debe a la contracción muscular o a algún otro órgano mediador de esta señalización. Por otro lado, los estudios in vitro con cultivos tradicionales en 2D no permiten analizar en tiempo real la interacción entre las células musculares y las células pancreáticas, y tampoco recrean la estructura 3D de los tejidos y órganos, muy relevantes en su fisiología.
El desarrollo de nuevos fármacos para prevenir y tratar la diabetes debe estar basado en herramientas que tengan en cuenta la comunicación entre el páncreas y los demás órganos para que puedan recrear los detalles de la enfermedad. En un reciente estudio publicado en la revista Advanced Materials Technology, investigadores del IBEC liderados por Juan M. Fernández-Costa y Javier Ramon-Azcon, del laboratorio “Biosensores para Bioingeniería”, han desarrollado un “multi-organ-on-chip” que permite, en un mismo dispositivo, estudiar la comunicación entre las células del páncreas que producen insulina y las células musculares. En este innovador “gimnasio en un chip”, los investigadores han estimulado eléctricamente las células musculares para inducir su contracción, y han visto que eso induce directamente la producción de insulina por las células del páncreas.
El “gimnasio en un chip”
En este novedoso dispositivo de bioingeniería los investigadores del IBEC han puesto por un lado células de musculo esquelético, los músculos que están unidos a los huesos y que nos proporcionan movilidad, y por otro lado, células de páncreas, concretamente islotes pancreáticos compuestos por células Beta, las que producen insulina. Al crecer y desarrollarse, estas células forman estructuras en 3D que simulan de cierta forma un “mini-órgano”, y aunque se encuentran en compartimentos diferentes, el “multi-organ-on-chip” tiene canales que permiten comunicar de forma controlada y monitorizar, a demanda y en diferentes situaciones, el intercambio de señales y de compuestos entre ellos.
Las células musculares del “multi-organ-on-chip” están conectadas a un estimulador eléctrico que induce su contracción simulando el ejercicio físico. Además, el dispositivo también está integrado a una compleja plataforma de biosensores capaz de monitorizar sin necesidad de marcaje externo, los niveles de insulina producidos por las células del páncreas y los niveles de interleuquina 6 (IL-6). Esta proteína reguladora se produce por el músculo y señaliza al páncreas que aumente la producción de insulina. En otras palabras, durante el ejercicio físico, la IL-6 va del músculo hacia el páncreas para estimular la producción de insulina.
Con nuestro “gimnasio en un chip” demostramos que la secreción de insulina por los islotes pancreáticos durante el ejercicio está mediada dinámicamente por la actividad contráctil de las células musculares y no por otros intermediarios. Juan M. Fernández-Costa, primer autor del estudio.
El futuro de los “multi-organ-on-chip”
La nueva plataforma multiorgánica in vitro desarrollada por el IBEC está acoplada a una plataforma de detección que presenta una serie de ventajas con respecto a los sistemas de detección actuales, ya que tiene un coste de fabricación abordable y dispensa la utilización de anticuerpos marcados. Además, se conecta fácilmente a los dispositivos de “organ-on-chip” y permite una monitorización en tiempo real y con gran sensibilidad del metabolismo de los órganos implicados.
Esta nueva plataforma ha permitido monitorizar in situ y en tiempo real, la comunicación entre el páncreas y los músculos en la diabetes, y estudiar la dinámica de secreción de insulina por parte de los islotes pancreáticos en respuesta al ejercicio muscular inducido por la estimulación del pulso eléctrico. Representa un gran paso para la modelización de la diabetes, el estudio de la resistencia a la insulina y la investigación de fármacos candidatos a la terapia, lo que normalmente se lleva a cabo mediante experimentos con animales, que son largos, costosos y éticamente limitantes, además de dificultar el traslado de los resultados a humanos.
Los dispositivos de “organ-on-chip” representan con precisión la fisiología de los órganos in vivo y permiten estudiar la cinética de los fármacos mediante el estudio de la funcionalidad y la comunicación entre tejidos. Javier Ramon-Azcon, líder del grupo Biosensores para Bioingeniería
En un futuro, el “muti-organ-on-chip” también se podrá usar para estudiar la comunicación entre otros órganos en el contexto de diversas enfermedades metabólicas, siendo una plataforma prometedora para el cribado de nuevos fármacos y para la medicina personalizada.
Artículo de referencia: 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.
