1.15: Cultivo de tejidos del órgano entero

Los cultivos in vitro de órganos parciales o completos se utilizan a menudo para modelar con precisión la función de tejidos y órganos en diversas condiciones de prueba. El cultivo de un órgano completo puede implicar la descelularización de un órgano extirpado o la extracción de células para utilizar la estructura del órgano nativo. A esto le sigue la recelularización con nuevas células. El uso de biorreactores especializados, a menudo se incorporan al proceso de recelularización, para imitar el crecimiento de los tejidos en el cuerpo. Este video presentará los principios fundamentales detrás del cultivo de tejidos de órganos enteros y demostrará el procedimiento en el laboratorio.

Este proceso comienza con la extracción de un órgano de un donante. En este ejemplo, mostramos un pulmón de un donante de un mono. A través de un proceso llamado perfusión de detergente, el órgano aislado se limpia sistemáticamente de su población de células nativas mediante una serie de lavados, lo que da como resultado una matriz de órganos acelulares estériles. A continuación, la matriz de tejido se recelulariza utilizando tipos de células específicos, como una línea de células madre establecida. Las células también pueden ser donadas por la persona que recibe el tejido modificado, lo que se denomina trasplante de células autólogas. Esto mitiga el rechazo y mejora la biocompatibilidad del órgano. Alternativamente, se pueden usar células de un donante diferente, lo que se denomina trasplante alogénico. Es posible que sea necesario buscar esto si no se puede recolectar un número suficiente de células del receptor potencial. Una vez que las células se siembran en el órgano, se utilizan biorreactores de tejidos para estimular la proliferación celular y dirigir el crecimiento de los tejidos. Estos reactores tienen como objetivo cultivar dinámicamente el órgano e imitar el entorno nativo que se encuentra in vivo. Por ejemplo, el órgano se puede conectar a una bomba peristáltica para simular el flujo sanguíneo. Ahora que ha aprendido sobre los principios del cultivo de órganos, echemos un vistazo a un procedimiento de ejemplo que involucra el cultivo de órganos completos de pulmones de donantes.

Para empezar, se colocan los pulmones del donante en una bandeja de disección y se canula la arteria pulmonar introduciendo un conector Luer hembra en la cavidad abierta. A continuación, se inserta un segundo conector luer hembra en la abertura traqueal. A continuación, se instila solución salina tamponada con fosfato o PBS, que contiene 30 unidades por mililitros de heparina y cinco microgramos por mililitro de nitroprusiato de sodio, para facilitar el ensanchamiento de los vasos sanguíneos y la eliminación del aire atrapado en los pulmones. La solución se expulsa por retroceso natural y se repite dos veces más antes de tapar la cánula, para mantener la solución en los pulmones y disolver la sangre residual. A continuación, se laceran ambas aurículas y se retira el capuchón de la cánula traqueal Luer para facilitar el drenaje de líquidos. La perfusión se continúa con la solución de PBS, heparina y nitroprusiato de sodio hasta que se extrae la mayor cantidad de sangre posible de la vasculatura pulmonar. Para comenzar la descelularización, los pulmones se inflan e impregnan con agua desionizada. Después de cinco lavados arteriales y vasculares, los pulmones se retiran del agua y se sumergen en un detergente llamado Tritón para eliminar las células mientras impactan mínimamente la matriz del órgano. Los pulmones se inflan dos veces más con una solución de Tritón antes de incubar durante la noche a cuatro grados centígrados. Después de la incubación, los pulmones se lavan cinco veces más con agua fresca desionizada. A continuación, los pulmones se sumergen en una solución de desoxicolato de sodio al 2% y luego se lavan varias veces más con agua y solución tampón para facilitar la descelularización y la eliminación de los desechos celulares. Cuando está completamente limpio, el órgano se almacena en una solución estéril de PBS a cuatro grados centígrados hasta su uso.

Para imitar el comportamiento natural de los pulmones se puede utilizar un biorreactor especializado, como el que se muestra aquí. Primero, la cámara principal del reactor se llena con medio de cultivo que se ha equilibrado a la atmósfera de dióxido de carbono al 5%. A continuación, se instala el órgano. Una vez conectada, se asegura la tapa y se elimina todo el aire del tubo con una jeringa. A continuación, el biorreactor se traslada a una incubadora de cultivo de tejidos para equilibrarse. A continuación, los pulmones se ventilan con aproximadamente una respiración completa cada dos minutos y el medio circula a través de la vasculatura, a través de la bomba peristáltica, a aproximadamente 10 mililitros por minuto, durante un total de 30 minutos.

Para la siembra de las vías respiratorias, los pulmones se inflan con una suspensión celular que contiene células madre mesenquimales derivadas de la médula ósea. Para recelularizar los alvéolos, que son responsables del intercambio gaseoso de oxígeno y dióxido de carbono que tiene lugar en los pulmones. Luego, los pulmones se incuban durante la noche para permitir que las células se adhieran a la matriz descelularizada. Después de la incubación durante la noche, se reinicia la ventilación y se permite que las células crezcan en la matriz de órganos durante varios días. A continuación, la siembra vascular se completa con la introducción gradual de células endoteliales utilizando la bomba peristáltica para iniciar la recelularización de pequeños vasos y luego se cultivan estáticamente durante varias horas para facilitar el desarrollo de un órgano celular preciso. El medio de cultivo vuelve a circular y las células se cultivan durante una semana para promover el crecimiento y la unión en condiciones dinámicas. Una vez que se completa el crecimiento del tejido, se realiza una histología para confirmar la unión y el crecimiento de las células madre mesenquimales y las células endoteliales en la vasculatura y las vías respiratorias del órgano. La histología muestra la unión de células madre mesenquimales y células endoteliales a los alvéolos dentro del andamio de la matriz y a los pequeños vasos vasculares, creando la apariencia de tejido pulmonar nativo.

Ahora que ha aprendido sobre el cultivo de órganos completos, echemos un vistazo a algunas aplicaciones prácticas de esta tecnología fuera del enfoque principal de la medicina regenerativa y el reemplazo de órganos. El cultivo de órganos completos también se puede utilizar como una forma de probar agentes farmacéuticos o dispositivos de administración de medicamentos. Por ejemplo, en este estudio, se explantaron, cultivaron y utilizaron tiroides embrionarias de ratón como modelo de órgano para observar cómo se transportan los agentes farmacéuticos experimentales a través del órgano y el tejido. En última instancia, esta simulación puede conducir a una representación más realista de cómo se transfiere un fármaco dentro de un órgano in vivo. Finalmente, el cultivo de tejidos de órganos completos se puede utilizar para estudiar el comportamiento de los tejidos en diversas condiciones. Por ejemplo, se extrajeron discos intervertebrales de colas de bovino para estudiar los posibles mecanismos de la degeneración del disco. Se emplearon biorreactores especialmente diseñados para inducir cargas mecánicas en el disco con el fin de comprender mejor cómo estas cargas afectan la degeneración.

Acabas de ver el vídeo de Jove sobre el cultivo de tejidos de órganos enteros. Ahora debería comprender cómo se pueden cultivar órganos enteros in vitro y cómo se aplica esta técnica en el campo de la bioingeniería. Gracias por mirar.