Descifrando el potencial de los organoides humanos a través de la bioingeniería

En una revisión publicada en la prestigiosa revista científica Nature Materials, investigadores del IBEC debaten junto a expertos internacionales de EE. UU. y Europa la forma de usar la bioingeniería con el fin de guiar mejor la autoorganización y diferenciación de las células madre humanas pluripotentes (hPSCs) y así poder generar organoides de mayor calidad.

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Miniriñón generado en el laboratorio de Nuria Montserrat en el IBEC 

Los organoides se conciben como micro-tejidos diseñados en el laboratorio usados para ayudarnos a comprender su desarrollo y también las enfermedades de los humanos. Sin embargo, estos modelos carecen de características importantes que sí tienen los órganos originales, como su madurez o esperanza de la vida. En esta revisión, los autores discuten de que forma la bioingeniería puede proporcionar información sobre las propiedades biofísicas del tejido original y así reproducirlas en los organoides. Los autores recalcan la importancia de que especialistas en ética, ingenieros y biólogos expertos en células madre trabajen conjuntamente. Según afirman, esta colaboración es clave para avanzar en el campo de los organoides derivados de células madre pluripotentes humanas (hPSCs).

Los organoides son agregados de células cultivadas que constituyen tejidos de un tamaño reducido (de micrómetros a centímetros), dotados de las características estructurales y funcionales de los órganos humanos. Durante las últimas dos décadas, los avances en las técnicas de crecimiento de hPSCs han permitido el desarrollo de procedimientos para generar estructuras similares a pequeños órganos a demanda. Hasta la fecha, los científicos han generado a partir de células madre organoides de cerebro, riñón, intestino, pulmón, retina, oído interno, hígado, entre otros. Estas plataformas de cultivo celular han permitido el estudio de programas morfogenéticos tempranos que impulsan la especificación y la diferenciación de tejidos, y han dado lugar a una nueva clase de cultivos tridimensionales seguros y asequibles para aplicaciones en la investigación biomédica. Sin embargo, todavía existen limitaciones importantes tales como su madurez y vida limitada, que impiden aplicar los organoides en medicina regenerativa.

En este punto, las investigadoras del IBEC Nuria Montserrat y Elena Garreta han estudiado el pasado y el presente de los sistemas de cultivo de hPSCs y el impacto de esos avances en la investigación de organoides en un esfuerzo por destacar las estrategias de bioingeniería asequibles para superar las actuales limitaciones. En un artículo de revisión publicado en Nature Materials, y escrito en colaboración con otros expertos internacionales, incluidos Xavier Trepat del IBEC, Roger D. Kamm y Ron Weiss del MIT en EE. UU., Susana M Chuva de Sousa Lopes de LUMC de los Países Bajos, Madeline A. Lancaster de MRC en el Reino Unido e Insoo Hyun de la Universidad de Case West Research University en EE. UU., las investigadoras subrayan el papel crucial que juegan la bioingeniería y la ética en el impulso del desarrollo futuro de estos sistemas. 

La convergencia entre organoides y bioingeniería tiene el potencial de revolucionar la biomedicina, ya que permitirá a los investigadores estudiar patologías con una precisión sin precedentes. 

Los desafíos desde hace un siglo 

Ya antes de los años 1900, los biólogos habían comenzado a aislar y cultivar tejidos y células de varios organismos, como esponjas, pollos o ratones. Más adelante, se consiguió el aislamiento de células madre embrionarias humanas y la reprogramación de células somáticas en células madre pluripotentes inducidas. Esto permitió desarrollar células con propiedades similares a las que encontramos durante las etapas del desarrollo. Durante la última década, la posibilidad de generar versiones micrométricas de órganos humanos ha permitido la creación de modelos que reproducen las características fundamentales de los órganos originales. Entre ellas, la forma en que las células se organizan espacialmente y su respuesta funcional ante situaciones adversas como las que se dan después de un trasplante in vivo. 

Hasta el momento, los organoides derivados de hPSCs han conservado las propiedades inherentes de estas fuentes celulares únicas, incluida su capacidad para autoorganizarse o diferenciarse en cualquier tipo de célula de nuestro cuerpo en respuesta a señales externas. Sin embargo, el poco control sobre los estímulos externos recibidos provoca respuestas no deseadas tales como la falta de madurez o una corta vida útil. En este sentido, los expertos describen varios enfoques orientados a proporcionar un componente vascular capaz de desarrollar organoides a partir de células madre y a diseñar redes vasculares que permitan la generación de organoides más grandes y viables, utilizando soluciones como sistemas de microfluidos, sistemas de cocultivo o bioimpresión 3D. 

Creando el entorno adecuado 

Otra limitación de los organoides es la naturaleza aleatoria y descontrolada de su crecimiento. Incluso dentro de las mismas líneas de células madre, se observa poca homogeneidad, lo que significa que actualmente no son el reflejo más fiel de los sistemas originales en los que se basan. Los microambientes diseñados con bioingeniería podrían proporcionar a los organoides las instrucciones que necesitan para crecer de una manera más organizada y consistente, como es el caso por ejemplo los sistemas dinámicos de hidrogel activados por luz 

Igualmente importante es recrear las interacciones tejido-tejido y las condiciones fisiológicas que experimentan los órganos originales. En este sentido, se han utilizado dispositivos de microingeniería para crear varios tipos de “órgano en un chip” que imitan aspectos clave de la fisiología de los órganos. Una tecnología que ya ha sido usada para desarrollar modelos de organoides con ciertas enfermedades, como la diabetes tipo 2 y la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). 

Aunque la creación de los microambientes ideales para la producción, el crecimiento y la funcionalidad de los organoides queda aún algo lejos, la tecnología de los organoides ya está revolucionando la biomedicina en áreas como la biología del desarrollo, la generación de fármacos, el modelado de enfermedades y la medicina personalizada. No hay duda de que las estrategias de bioingeniería son una poderosa herramienta para lograr la creación de estos microambientes. Sin embargo, según los autores, tal revolución requerirá una estrecha colaboración entre biólogos expertos en células madre, bioingenieros y especialistas en ética. Está en las manos de las universidades, los institutos y las administraciones asignar recursos para garantizar que así sea.

Artículo de referencia:
Elena Garreta, Roger D. Kamm, Susana M Chuva de Sousa Lopes, Madeline A. Lancaster, Ron Weiss, Xavier TrepatInsoo Hyun and Nuria Montserrat (2020) “Rethinking organoid technology through bioengineering.” Nature Materials, 2020. 

 

Sobre el IBEC
El Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) es un centro CERCA, reconocido en dos ocasiones como centro de Excelencia Severo Ochoa y miembro del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona (BIST). IBEC lleva a cabo investigación interdisciplinaria de excelencia en la frontera de la ingeniería y las ciencias de la vida con el fin de generar nuevo conocimiento, integrando campos como la nanomedicina, la biofísica, la biotecnología la ingeniería de tejidos y las aplicaciones de tecnología de la información en el ámbito de la salud. El IBEC fue creado en 2005 por la Generalitat de Cataluña, la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC).