En las últimas tres décadas, el descubrimiento de fármacos basado en objetivos (TDD) ha sido ampliamente empleado en el descubrimiento de fármacos por la industria farmacéutica. TDD incorpora un objetivo molecular definido que desempeña un papel importante en una enfermedad y se basa en el desarrollo de sistemas de cultivo celular relativamente simples y lecturas para el cribado de fármacos1. Los modelos de enfermedad más típicos utilizados en los programas TDD incluyen métodos tradicionales de cultivo celular, como células cancerosas o líneas celulares inmortalizadas cultivadas en entornos artificiales y sustratos no fisiológicos. Aunque muchos de estos modelos han proporcionado herramientas viables para identificar candidatos a fármacos exitosos, el uso de tales sistemas puede ser cuestionable debido a su escasa relevancia de la enfermedad2.
Para la mayoría de las enfermedades, los mecanismos subyacentes son de hecho complejos y a menudo se encuentran varios tipos de células, vías de señalización independientes y múltiples conjuntos de genes que contribuyen a un fenotipo específico de la enfermedad. Esto también es cierto para las enfermedades hereditarias donde la causa principal es una mutación en un solo gen. Con el reciente advenimiento de las tecnologías de células madre pluripotentes inducidas humanas (iPSC) y las herramientas de edición de genes, ahora es posible generar organoides 3D y modelos de enfermedades de órgano en chip que podrían recapitular mejor la complejidad humana in vivo 3,4. El desarrollo de tales tecnologías está asociado con un resurgimiento del interés en los programas de descubrimiento fenotípico de fármacos (PDD)1. El PDD se puede comparar con el cribado empírico, ya que no se basan en el conocimiento de la identidad de un objetivo farmacológico específico o en una hipótesis sobre su papel en la enfermedad. El enfoque PDD es ahora cada vez más reconocido por contribuir fuertemente al descubrimiento de fármacos de primera clase5. Debido a que el desarrollo de las tecnologías de organoides humanos y de órganos en chip aún está en su infancia, se espera que los modelos iPSC (complementados con herramientas innovadoras de imagen y aprendizaje automático6,7) proporcionen, en un futuro próximo, múltiples modelos novedosos de enfermedades complejas basadas en células para la detección de fármacos y programas de PDD asociados para superar la baja productividad del enfoque TDD8, 9.
Si bien los modelos de organoides humanos y órganos en chip pueden proporcionar información importante sobre la complejidad de la enfermedad y la identificación de nuevos fármacos, la incorporación de fármacos a la nueva práctica clínica también depende en gran medida de los datos de modelos animales para evaluar su eficacia y seguridad. Entre ellos, los ratones modificados genéticamente son sin duda los modelos de mamíferos más preferidos. Tienen muchas ventajas, ya que tienen un tiempo de generación relativamente corto para los mamíferos, tienen muchos fenotipos similares a las enfermedades humanas y pueden manipularse genéticamente fácilmente. Por lo tanto, son ampliamente utilizados en programas de descubrimiento de fármacos10. Sin embargo, cerrar la brecha entre ratones y humanos sigue siendo un desafío importante11. El desarrollo de modelos de ratón in vitro equivalentes a los modelos de organoides humanos y de órgano en chip podría llenar al menos parcialmente este vacío, ya que permitirá comparaciones directas de eficacia y seguridad de los medicamentos entre los datos in vivo de ratones y humanos in vitro .
Aquí, se describe un ensayo de germinación vascular en cuerpos embrioides (EB) de ratón. Los vasos sanguíneos están compuestos por células endoteliales (revestimiento interno de las paredes de los vasos), células murales (células del músculo liso vascular y pericitos)12. Este protocolo se basa en la diferenciación de células madre embrionarias de ratón (mESCs) en EBs vascularizadas utilizando gotitas colgantes que recapitulan la diferenciación de novo de células endoteliales y células murales13,14. Las ESCs de ratón pueden establecerse fácilmente en cultivo a partir de blastocistos de ratón aislados del día 3,5 con diferentes antecedentes genéticos15. También ofrecen posibilidades para el análisis clonal, el rastreo del linaje y pueden ser fácilmente manipulados genéticamente para generar modelos de enfermedades13,16.
Como los vasos sanguíneos nutren todos los órganos, no es sorprendente que muchas enfermedades, si no todas, estén asociadas con cambios en la microvasculatura. En condiciones patológicas, las células endoteliales pueden adoptar un estado activado o pueden volverse disfuncionales, lo que resulta en la muerte de las células murales o la migración lejos de los vasos sanguíneos. Estos pueden resultar en angiogénesis excesiva o en rarefacción de los vasos, pueden inducir un flujo sanguíneo anormal y una barrera de vasos sanguíneos defectuosa que conduce a la extravasación de células inmunes e inflamación12,17,18,19. La investigación para el desarrollo de fármacos moduladores de los vasos sanguíneos es, por lo tanto, alta, y ya se han identificado múltiples actores y conceptos moleculares para la orientación terapéutica. En este contexto, el protocolo descrito es particularmente adecuado para construir modelos de enfermedades y para pruebas de drogas, ya que recapitula las características clave de la angiogénesis germinada in vivo, incluida la selección de células de la punta endotelial y el tallo, la migración y proliferación de células endoteliales, la guía de células endoteliales, la formación de tubos y el reclutamiento de células murales. También muestra similitudes con ensayos vasculares 3D recientemente descritos basados en tecnologías iPSC humanas20.