El chip de varios órganos - Una plataforma de microfluidos para el largo plazo co-cultivo de múltiples tejidos
28 de abril de 2015
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Aquí, presentamos un protocolo para cocultivar células primarias, modelos de tejido y biopsias en un chip microfluídico multi-órgano durante un máximo de 28 días. Las células endoteliales microvasculares dérmicas humanas, los agregados hepáticos y las biopsias de piel se combinaron con éxito en una circulación de medios común.
Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para cultivar conjuntamente células primarias, modelos de tejidos y biopsias por punch utilizando un chip microfluídico de múltiples órganos durante hasta 28 días. Se detalla la combinación exitosa de células endoteliales microvasculares dérmicas humanas, agregados hepáticos y biopsias de piel en una circulación común de medio.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biología celular
- Microfluídica
Antecedentes
- Los sistemas microfluídicos permiten la integración de múltiples sistemas de órganos.
- Las técnicas de cultivo conjunto pueden mejorar el estudio de las interacciones celulares.
- Mantener la viabilidad y funcionalidad celular durante períodos prolongados es crucial.
- Este estudio explora el potencial de un chip multiorgánico para cultivos a largo plazo.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un protocolo confiable para el cultivo conjunto de diferentes tipos celulares.
- Investigar las interacciones entre células endoteliales y modelos de tejidos.
- Evaluar la viabilidad celular en un entorno microfluídico a lo largo del tiempo.
Métodos Utilizados
- Diseño y fabricación de un chip microfluídico.
- Aislamiento de células endoteliales microvasculares dérmicas humanas primarias.
- Preparación de agregados hepáticos y biopsias de piel.
- Establecimiento de una circulación común de medio para el cultivo conjunto.
Resultados principales
- Cocultivo exitoso de células endoteliales, agregados hepáticos y biopsias de piel.
- Las células mantuvieron la viabilidad durante hasta 28 días.
- Observaciones de interacciones celulares en el entorno microfluídico.
- Aplicaciones potenciales en pruebas de fármacos y modelado de enfermedades.
Conclusiones
- El chip microfluídico de múltiples órganos es efectivo para el cultivo conjunto a largo plazo.
- Este enfoque puede facilitar el estudio de interacciones celulares complejas.
- La investigación futura podría ampliar las aplicaciones de esta tecnología.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un chip microfluídico de múltiples órganos?
Un chip microfluídico de múltiples órganos es un dispositivo que permite el cultivo simultáneo de múltiples tipos celulares en un entorno controlado.
¿Durante cuánto tiempo se pueden cultivar las células en este sistema?
Las células pueden cultivarse hasta 28 días en el chip microfluídico de múltiples órganos.
¿Qué tipos de células se utilizaron en este estudio?
El estudio utilizó células endoteliales microvasculares dérmicas humanas, agregados hepáticos y biopsias de piel.
¿Cuáles son las aplicaciones potenciales de esta investigación?
Las aplicaciones potenciales incluyen pruebas de fármacos y modelado de enfermedades en un entorno controlado.
¿Cuáles son los beneficios de utilizar técnicas de cultivo conjunto?
Las técnicas de cultivo conjunto pueden mejorar la comprensión de las interacciones celulares y aumentar la relevancia de los modelos in vitro.
¿Cómo funciona la circulación del medio en el chip?
La circulación del medio permite el intercambio de nutrientes y productos de desecho, favoreciendo la viabilidad y función celular.
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El cultivo conjunto a largo plazo de múltiples tejidos en una plataforma microfluídica aborda la necesidad crítica de modelos preclínicos predictivos que representen mejor las interacciones entre órganos y los efectos de la exposición crónica a sustancias. Al permitir un flujo de fluido estable y cercano a lo fisiológico, así como dosificaciones repetidas durante 28 días, el sistema posibilita la reducción mecanicista de riesgos en las fases iniciales del descubrimiento y mejora la confiabilidad traslacional en la evaluación de hepatotoxicidad y seguridad dérmica. Esto sitúa a la tecnología como una capacidad reutilizable para la identificación de fármacos líderes y la modelización predictiva en las etapas de I+D farmacéutica.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la exploración de vías de señalización entre tejidos y la reducción mecanicista de riesgos en las interacciones orgánicas inducidas por compuestos.
- Valor operativo: Apoya la validación funcional de dianas en un microentorno multicelular que refleja la complejidad fisiológica.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Proporciona una plataforma estandarizada y reproducible para la evaluación cuantitativa de los efectos de sustancias en modelos de tejidos interconectados.
- Valor operativo: Permite un cultivo conjunto escalable y a largo plazo con perfusión de medio para exposiciones repetidas a compuestos y recopilación de lecturas.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Valor científico: Mejora la relevancia de la enfermedad al modelar interacciones humanas entre hígado, piel y sistema vascular en un sistema perfundido y controlado.
- Valor operativo: Facilita la continuidad desde el descubrimiento hasta la evaluación preclínica al mantener la funcionalidad del tejido durante períodos prolongados de cultivo.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El chip microfluídico de múltiples órganos se integra en los flujos de trabajo de descubrimiento temprano al permitir la prueba de hipótesis sobre toxicidades específicas de órganos y la modulación de vías en un sistema de cultivo conjunto relevante para el ser humano.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la comprobación de hipótesis sobre la comunicación interorgánica y los efectos de compuestos en funciones específicas de tejidos.
- Selección: Permite la preparación de ensayos mediante condiciones de cocultivo estables y perfundidas, adecuadas para la selección de bibliotecas de compuestos.
- Análisis: Genera lecturas cuantitativas y resueltas en el tiempo provenientes de múltiples compartimentos tisulares para apoyar el análisis comparativo de condiciones.
- Investigación Traducional: Favorece la continuidad preclínica al mantener la arquitectura y función organotípicas durante períodos de cultivo de 28 días.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma de perfusión reutilizable adaptable a múltiples combinaciones de tejidos y campañas de pruebas de compuestos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva al reducir la ambigüedad mecanicista en la comunicación entre órganos y la respuesta a sustancias.
- Valor operativo: Asegura la estandarización, reproducibilidad y escalabilidad del cultivo cocelular multicelular a largo plazo bajo flujo controlado.
- Valor estratégico: Permite tomar decisiones más informadas de avance o interrupción del desarrollo al identificar antes las limitaciones específicas de cada órgano, reduciendo el riesgo de abandono en fases avanzadas.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de candidatos basada en la tolerancia multisistémica y en lecturas funcionales.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en la operación de sistemas microfluídicos, manejo de células primarias y preparación de modelos de tejidos.
- Depende de instrumentación compatible con la perfusión, manejo estéril de fluidos e infraestructura de monitoreo en tiempo real.
- Necesita la estandarización entre equipos de las formulaciones de medios, tasas de flujo y protocolos de muestreo para obtener resultados reproducibles.
- Implica consideraciones de adaptación al integrar tejidos primarios diversos o biopsias con requisitos de cultivo variables.
- Limitado por la necesidad de fabricación y validación especializadas de diseños de chips para mantener relaciones fisiológicas de esfuerzo cortante y volúmenes.
Preguntas frecuentes sobre biofármacos
¿Por qué es importante el cultivo a largo plazo para los estudios de validación de dianas?
El cultivo a largo plazo permite la exposición repetida a sustancias y la observación de efectos tóxicos retardados o acumulativos, lo cuales son fundamentales para validar dianas en modelos de enfermedades crónicas. El sistema permite la viabilidad del cultivo celular conjunto durante hasta 28 días, posibilitando la evaluación del compromiso sostenido de la diana y las respuestas específicas de órganos a lo largo del tiempo. Esta duración mejora la confianza predictiva al imitar regímenes de dosificación humanos y revelar interacciones orgánicas de aparición tardía que no se capturan en ensayos a corto plazo.
¿Cómo mejora la eficiencia del proceso de descubrimiento el aislamiento de la variable independiente?
El diseño microfluídico permite un control preciso del flujo de fluidos, la composición del medio y la posición del tejido, lo que posibilita el aislamiento de variables como el estrés cortante o la concentración del compuesto. Este control reduce los factores de confusión en experimentos de cultivo conjunto, mejorando la fiabilidad de los datos para la validación de dianas y la optimización de compuestos iniciales. Al estandarizar estos parámetros, los equipos pueden comparar condiciones entre experimentos con mayor reproducibilidad y menos falsos positivos.
¿Qué mediciones cuantitativas permite el sistema para las variables dependientes?
La plataforma permite lecturas cuantitativas como la secreción de metabolitos, la actividad enzimática, la integridad de la barrera y los marcadores de viabilidad provenientes de cada compartimento tisular. Estas mediciones permiten modelar la relación dosis-respuesta y analizar cinéticamente los efectos de las sustancias en tejidos interconectados. El muestreo con resolución temporal mediante el sistema de perfusión posibilita el seguimiento longitudinal de los cambios funcionales, lo que contribuye a obtener información mecanicista y a estimar los márgenes de seguridad.
¿Por qué son esenciales los requisitos de replicación para la colaboración multifuncional?
La replicación garantiza que las respuestas del tejido observadas sean consistentes y no se deban a la variabilidad estocástica en la siembra de células o en la preparación del chip. Los protocolos estandarizados para la formación de agregados hepáticos, la colocación de biopsias de piel y la siembra de células endoteliales permiten a los equipos de toxicología, DMPK y biología generar datos comparables. Esta consistencia facilita la interpretación conjunta de los resultados y el acuerdo sobre criterios de avance/no avance en equipos de proyectos multidisciplinarios.
¿Qué capacidades de análisis estadístico son necesarias antes de implementar este sistema?
La implementación requiere la capacidad de realizar análisis de datos longitudinales, incluyendo ANOVA de medidas repetidas o modelos de efectos mixtos, para tener en cuenta las correlaciones temporales en las lecturas basadas en el flujo sanguíneo. Los equipos también deben aplicar corrección por comparaciones múltiples al evaluar múltiples puntos finales tisulares o múltiples puntos temporales. Estas capacidades aseguran que las diferencias observadas sean estadísticamente robustas y no se deban al ruido, lo que respalda una toma de decisiones confiable en la evaluación preclínica.
