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Este estudio marca la demostración pionera de la compatibilidad de los organoides intestinales caninos con el desarrollo de un modelo canino de EII Gut-on-a-Chip. La integración de organoides intestinales y cultivos monocapa derivados de organoides en un sistema microfluídico (es decir, el sistema Gut-on-a-Chip) ha evolucionado aún más la tecnología, lo que ha permitido la creación de modelos intestinales in vitro que imitan de cerca la dinámica fisiológica y son más representativos de las condiciones biológicas. En particular, dado que hay muy pocos informes de cultivo de Gut-on-a-Chip utilizando organoides derivados de la EII en humanos, el estudio actual que utiliza Gut-on-a-Chip derivado de la EII canina puede proporcionar información líder en el estudio de la EII en humanos.
El desarrollo exitoso de la morfogénesis 3D del epitelio intestinal canino en un Gut-on-a-Chip requiere una cuidadosa atención a varios pasos críticos. En primer lugar, la superficie hidrofóbica de los canales microfluídicos de PDMS puede impedir la adhesión de la MEC y la posterior unión celular, lo que requiere la activación de la superficie de la MDP antes del recubrimiento de la MEC y la siembra de células (ver sección 1 del protocolo). Para lograr un cultivo monocapa estable, la eliminación del exceso de células no adheridas es crucial después de la unión celular (pasos del protocolo 4.6-4.7). Además, la estimulación dinámica, como el flujo medio constante y el movimiento de vacío peristáltico, es necesaria para la morfogénesis 3D del epitelio intestinal (paso 5.2 del protocolo). El manejo cuidadoso es esencial para evitar burbujas de aire en el microcanal durante cualquier paso del cultivo Gut-on-a-Chip.
Si se encuentra con una mala siembra de células en el Gut-on-a-Chip, podría deberse a un bajo número de células o a una mala adhesión celular. Para solucionar problemas de bajo número de células, es importante inspeccionar la salud de los organoides intestinales preparados observando su crecimiento en Matrigel. La viabilidad celular se puede evaluar mediante la tinción con azul de tripano después de la disociación celular para garantizar que no más del 20% de las células estén muertas. Si el número de células viables es insuficiente, se puede intentar optimizar las condiciones del medio organoide. Otra posibilidad es la disociación incompleta de los organoides, lo que da lugar a un exceso de grupos celulares de más de 70 μm que quedan atrapados por el filtro. Para resolver esto, una opción es extender la duración del pipeteo durante la disociación celular. Alternativamente, el tubo cónico de 15 ml se puede agitar suavemente cada minuto mientras se somete al tratamiento con una proteasa similar a la tripsina. Una mala adhesión de la célula al Gut-on-a-Chip puede deberse a un recubrimiento inadecuado de la ECM. Durante el proceso de recubrimiento, se recomienda verificar cuidadosamente la presencia de burbujas de aire y evitar su formación agregando suavemente más solución de recubrimiento según sea necesario. El hacinamiento de las células y la falta de lavado de las células no adheridas pueden dar lugar a una monocapa inicial insuficiente. En tal caso, se puede aplicar una pulsación leve al empujar el émbolo de la jeringa. Estos pasos de solución de problemas pueden ayudar a identificar y abordar problemas durante el proceso de cultivo de Gut-on-a-Chip.
Si bien esta plataforma Gut-on-a-Chip permite la creación de capas epiteliales 3D onduladas, reconocemos la necesidad de una complejidad biológica adicional para replicar completamente el microambiente intestinal. Es crucial considerar las interacciones entre las células epiteliales y mesenquimales, el depósito de MEC para la regeneración 3D y la presencia de características de cripta-vellosidades que establecen un nicho adecuado de células madre. Las células estromalas, como los fibroblastos, desempeñan un papel vital en la producción de proteínas de la MEC y en la regulación de la morfogénesis intestinal34,35,36. La inclusión de células mesenquimales en este modelo tiene el potencial de mejorar tanto la morfogénesis como la eficiencia de la unión celular. Las capas endoteliales, que abarcan la vasculatura capilar y los vasos linfáticos, desempeñan un papel crucial en el control del transporte molecular y el reclutamiento de células inmunitarias37,38. La inclusión de células inmunitarias derivadas del paciente podría ser esencial en la modelización de enfermedades intestinales, ya que permite demostrar la interacción entre la inmunidad innata y la adaptativa, así como el establecimiento de una inmunidad específica de tejido39. Tras la finalización de la morfogénesis 3D en Gut-on-a-Chip, el medio de cultivo de organoides puede modificarse a un medio de diferenciación de organoides. Este puede ser un enfoque viable para inducir una diferenciación celular adicional, dependiendo de los objetivos experimentales.
Obtener imágenes de la microarquitectura 3D in situ es un desafío debido a la larga distancia de trabajo requerida, que se puede superar con un objetivo de larga distancia. Además, los métodos de microfabricación y unión capa por capa dificultan el acceso a las capas superiores para su examen con SEM. Para el diseño actual de Gut-on-a-Chip, se necesita una bomba de jeringa por microdispositivo Gut-on-a-Chip, lo que ocupa espacio en la incubadora deCO2 y evita experimentos a gran escala. Se necesitan innovaciones para aumentar la escalabilidad de una plataforma fácil de usar y un cribado de alto rendimiento.
Estos protocolos actuales permiten el desarrollo espontáneo de capas epiteliales 3D in vitro, superando las limitaciones de los organoides 3D tradicionales, las monocapas 2D y los sistemas de cultivo estático de microdispositivos. Este microambiente intestinal dinámico in vitro puede controlarse mediante la introducción del cocultivo de diversos tipos de células. Estudios anteriores han explorado métodos para manipular el microambiente Gut-on-a-Chip, incluyendo el cocultivo del microbioma intestinal14,23 y las células mononucleares periféricas30. Este microambiente reconstituido tiene numerosas aplicaciones potenciales, incluidas las pruebas de fármacos, los estudios mecanicistas fundamentales y el modelado de enfermedades. El microambiente reconstruido tiene un potencial significativo para una amplia gama de aplicaciones, como las pruebas de drogas 23,40,41 y el modelado de enfermedades 12,13,14,30, así como las investigaciones mecanicistas fundamentales de la morfogénesis intestinal 42. Se puede realizar una variedad de ensayos, ya sea mediante la recolección de sobrenadantes para la evaluación de metabolitos 43, mediante la recolección de células para el examen genómico 2,32, o mediante el examen visual de las células utilizando colorantes de células vivas o la fijación para la posterior obtención de imágenes de inmunofluorescencia 23,44.
Este estudio presenta un protocolo reproducible para el desarrollo de la morfogénesis 3D de las capas epiteliales intestinales caninas en una plataforma Gut-on-a-Chip. La estructura epitelial 3D resultante proporciona una representación más realista del microambiente intestinal, que tiene un inmenso potencial para aplicaciones en diversos estudios biomédicos. Al utilizar esta arquitectura intestinal, podemos llevar a cabo más investigación traslacional y potencialmente producir resultados prometedores.