Órgano en un chip - Organ-on-a-chip

Un órgano en un chip ( OOC ) es un chip de cultivo celular de microfluidos tridimensionales multicanal que simula las actividades, la mecánica y la respuesta fisiológica de órganos y sistemas de órganos completos , un tipo de órgano artificial . Constituye el tema de importantes investigaciones en ingeniería biomédica , más precisamente en bio-MEMS . La convergencia de labs-on-chips (LOC) y la biología celular ha permitido el estudio de la fisiología humana en un contexto específico de órganos, introduciendo un modelo novedoso de organismos humanos multicelulares in vitro . Algún día, quizás eliminen la necesidad de animales en el desarrollo de fármacos y pruebas de toxinas.

Aunque varias publicaciones afirman haber traducido las funciones de los órganos a esta interfaz, el movimiento hacia esta aplicación de microfluidos aún está en su infancia. Los órganos en chips variarán en diseño y enfoque entre diferentes investigadores. Como tal, la validación y optimización de estos sistemas probablemente será un proceso largo. Los órganos que han sido simulados por dispositivos de microfluidos incluyen cerebro , pulmón , corazón , riñón , hígado , próstata , vaso ( arteria ), piel , hueso , cartílago y más.

Sin embargo, la construcción de órganos artificiales válidos requiere no solo una manipulación celular precisa, sino una comprensión detallada de la intrincada respuesta fundamental del cuerpo humano a cualquier evento. Una preocupación común con los órganos en chips radica en el aislamiento de los órganos durante las pruebas. El cuerpo es una red compleja de procesos fisiológicos, lo que dificulta la simulación de un solo órgano. La microfabricación , la microelectrónica y la microfluídica ofrecen la posibilidad de modelar sofisticadas respuestas fisiológicas in vitro en condiciones simuladas con precisión.

Laboratorio en chip

Un laboratorio en un chip es un dispositivo que integra una o varias funciones de laboratorio en un solo chip que se ocupa de la manipulación de partículas en canales microfluídicos huecos. Se ha desarrollado durante más de una década. Las ventajas de manipular partículas a una escala tan pequeña incluyen reducir el consumo de volumen de fluido (menores costos de reactivos, menos desperdicio), aumentar la portabilidad de los dispositivos, aumentar el control del proceso (debido a reacciones termoquímicas más rápidas) y disminuir los costos de fabricación. Además, el flujo de microfluidos es completamente laminar (es decir, sin turbulencia ). En consecuencia, virtualmente no hay mezcla entre corrientes vecinas en un canal hueco. En la convergencia de la biología celular, esta propiedad rara en los fluidos se ha aprovechado para estudiar mejor los comportamientos celulares complejos, como la motilidad celular en respuesta a estímulos quimiotácticos , diferenciación de células madre , guía de axones , propagación subcelular de señalización bioquímica y desarrollo embrionario .

Transición de modelos de cultivo celular 3D a OOC

Los modelos de cultivo celular en 3D superan los sistemas de cultivo en 2D al promover niveles más altos de diferenciación celular y organización de tejidos . Los sistemas de cultivo 3D son más exitosos porque la flexibilidad de los geles ECM se adapta a los cambios de forma y las conexiones célula-célula, anteriormente prohibidas por los sustratos de cultivo 2D rígidos. Sin embargo, incluso los mejores modelos de cultivo en 3D no logran imitar las propiedades celulares de un órgano en muchos aspectos, incluidas las interfaces de tejido a tejido (p. Ej., Epitelio y endotelio vascular ), gradientes espacio-temporales de sustancias químicas y microambientes mecánicamente activos (p. Ej., Vasoconstricción de arterias y respuestas vasodilatadoras a diferenciales de temperatura). La aplicación de microfluidos en órganos en chips permite el transporte y distribución eficiente de nutrientes y otras señales solubles a través de las construcciones de tejido 3D viables. Los órganos en chips se conocen como la próxima ola de modelos de cultivo celular en 3D que imitan las actividades biológicas, las propiedades mecánicas dinámicas y las funcionalidades bioquímicas de órganos vivos completos.

Órganos

Cerebro en chip

Los dispositivos Brain-on-a-chip crean una interfaz entre la neurociencia y la microfluídica al: 1) mejorar la viabilidad del cultivo; 2) apoyo al cribado de alto rendimiento ; 3) modelar la fisiología y la enfermedad a nivel de órganos in vitro / ex vivo , y 4) agregar alta precisión y sintonización de dispositivos de microfluidos. Los dispositivos Brain-on-a-chip abarcan múltiples niveles de complejidad en términos de metodología de cultivo celular. Los dispositivos se han fabricado utilizando plataformas que van desde el cultivo celular tradicional en 2D hasta tejidos en 3D en forma de cortes de cerebro organotípicos.

Descripción general de los cortes de cerebro organotípicos

Los cortes de cerebro organotípicos son un modelo in vitro que replica la fisiología in vivo con beneficios ópticos y de rendimiento adicionales, por lo que se combinan bien con los dispositivos de microfluidos. Los cortes de cerebro tienen ventajas sobre el cultivo de células primarias en el sentido de que se conserva la arquitectura del tejido y aún pueden producirse interacciones multicelulares. Existe flexibilidad en su uso, ya que las rodajas se pueden utilizar de forma aguda (menos de 6 horas después de la recolección de las rodajas) o cultivarse para un uso experimental posterior. Debido a que los cortes de cerebro organotípicos pueden mantener la viabilidad durante semanas, permiten estudiar los efectos a largo plazo. Los sistemas basados ​​en cortes también brindan acceso experimental con un control preciso de los entornos extracelulares, lo que los convierte en una plataforma adecuada para correlacionar enfermedades con resultados neuropatológicos. Debido a que se pueden extraer aproximadamente de 10 a 20 cortes de un solo cerebro, el uso de animales se reduce significativamente en relación con los estudios in vivo . Se pueden extraer y cultivar cortes de cerebro organotípicos de múltiples especies animales (por ejemplo, ratas), pero también de humanos.

Aplicaciones

Los dispositivos de microfluidos se han emparejado con cortes organotípicos para mejorar la viabilidad del cultivo. El procedimiento estándar para cultivar cortes de cerebro organotípicos (alrededor de 300 micrones de espesor) utiliza membranas semiporosas para crear una interfaz aire-medio, pero esta técnica da como resultado limitaciones de difusión de nutrientes y gases disueltos. Debido a que los sistemas de microfluidos introducen un flujo laminar de estos nutrientes y gases necesarios, se mejora el transporte y se puede lograr una mayor viabilidad de los tejidos. Además de mantener viables los cortes estándar, las plataformas de cerebro en un chip han permitido el cultivo exitoso de cortes de cerebro más gruesos (aproximadamente 700 micrones), a pesar de una barrera de transporte significativa debido al grosor. Dado que los cortes más gruesos retienen una arquitectura de tejido más nativa, esto permite que los dispositivos de cerebro en un chip logren características más " parecidas a las in vivo " sin sacrificar la viabilidad celular. Los dispositivos de microfluidos respaldan el cribado de alto rendimiento y las evaluaciones toxicológicas tanto en cultivos en 2D como en cortes, lo que lleva al desarrollo de nuevas terapias dirigidas al cerebro. Un dispositivo pudo detectar los medicamentos pitavastatina e irinotecán de forma combinatoria en el glioblastoma multiforme (la forma más común de cáncer de cerebro humano). Estos enfoques de cribado se han combinado con el modelado de la barrera hematoencefálica (BBB), un obstáculo importante que deben superar los fármacos al tratar el cerebro, lo que permite estudiar in vitro la eficacia del fármaco a través de esta barrera . Se han utilizado sondas de microfluidos para administrar tintes con alta precisión regional, dando paso a la microperfusión localizada en aplicaciones de fármacos. Debido a que los dispositivos de microfluidos se pueden diseñar con accesibilidad óptica, esto también permite la visualización de la morfología y los procesos en regiones específicas o células individuales. Los sistemas de cerebro en un chip pueden modelar la fisiología a nivel de órganos en enfermedades neurológicas, como la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson y la esclerosis múltiple con mayor precisión que con las técnicas tradicionales de cultivo celular en 2D y 3D. La capacidad de modelar estas enfermedades de una manera que sea indicativa de condiciones in vivo es esencial para la traducción de terapias y tratamientos. Además, se han utilizado dispositivos de cerebro en un chip para diagnósticos médicos, como en la detección de biomarcadores de cáncer en cortes de tejido cerebral.

Limitaciones

Los dispositivos de cerebro en un chip pueden causar un esfuerzo cortante en las células o el tejido debido al flujo a través de pequeños canales, lo que puede resultar en daño celular. Estos pequeños canales también introducen susceptibilidad al atrapamiento de burbujas de aire que pueden interrumpir el flujo y potencialmente causar daño a las células. El uso generalizado de PDMS ( polidimetilsiloxano ) en dispositivos de cerebro en un chip tiene algunos inconvenientes. Aunque el PDMS es barato, maleable y transparente, las proteínas y las moléculas pequeñas pueden ser absorbidas por él y luego se pueden filtrar a velocidades incontroladas.

Gut-on-a-chip

El intestino humano en un chip contiene dos microcanales que están separados por la membrana porosa flexible recubierta de matriz extracelular (ECM) revestida por células epiteliales intestinales: Caco-2, que se ha utilizado ampliamente como barrera intestinal. Las células Caco-2 se cultivan bajo diferenciación espontánea de su célula parental, un adenocarcinoma de colon humano , que representa el modelo de propiedades protectoras y absorbentes del intestino. Los microcanales se fabrican a partir de polímero de polidimetilsiloxano (PDMS). Para imitar el microambiente intestinal, se diseña un flujo de líquido similar a la peristalsis. Al inducir la succión en las cámaras de vacío a lo largo de ambos lados de la bicapa del canal celular principal, se desarrolla la tensión mecánica cíclica de estiramiento y relajación para imitar los comportamientos intestinales. Además, las células experimentan una morfogénesis y diferenciación de las vellosidades espontáneas, lo que generaliza las características de las células intestinales. Bajo el andamio de vellosidades tridimensionales, las células no solo proliferan, sino que también mejoran las actividades metabólicas. 

Una gran desventaja de usar gut-on-a-chip para crear modelos específicos de enfermedades es que satisface la necesidad de modelos in vitro para probar medicamentos y evitar las pruebas en animales .

La administración oral es uno de los métodos más comunes para la administración de medicamentos. Permite a los pacientes, especialmente a los pacientes ambulatorios, auto-servirse los medicamentos con una mínima posibilidad de experimentar reacciones agudas a los medicamentos y, en la mayoría de los casos, sin dolor. Sin embargo, la acción del fármaco en el organismo puede verse influida en gran medida por el efecto de primer paso . El intestino, que juega un papel importante en el sistema digestivo humano, determina la eficacia de un fármaco al absorber sus propiedades químicas y biológicas de forma selectiva. Si bien es costoso y requiere mucho tiempo desarrollar nuevos medicamentos, el hecho de que la tecnología gut-on-a-chip alcance un alto nivel de rendimiento ha reducido significativamente los costos de investigación y desarrollo y el tiempo para nuevos medicamentos.

Modelado de la enfermedad inflamatoria intestinal (EII)

Aunque la causa de la EII es difícil de alcanzar, la fisiopatología de la EII implica la microbiota intestinal . Los métodos actuales para inducir la EII utilizan señales inflamatorias para activar Caco-2. Se encontró que el epitelio intestinal experimentó una reducción de la función de barrera y un aumento de las concentraciones de citocinas. El gut-on-a-chip permitió la evaluación del transporte, la absorción y la toxicidad de los fármacos, así como los desarrollos potenciales en el estudio de la patogénesis y las interacciones en el microambiente en general.

Modelado de la lesión celular inducida por radiación

El chip se utilizó para modelar la lesión intestinal inducida por radiación humana in vitro, ya que recapitulaba las lesiones tanto a nivel celular como tisular.9 Las lesiones incluyen, entre otras, la inhalación de la producción de moco, la promoción del embotamiento de las vellosidades y la distorsión de las microvellosidades .

Pulmón en un chip

Dibujo esquemático de un pulmón en un chip. La membrana del medio se puede estirar por vacío en las dos cámaras laterales.
Artículo principal: Pulmón en un chip

Lung-on-a-chips se está diseñando en un esfuerzo por mejorar la relevancia fisiológica de los modelos de interfaz alveolar - capilar in vitro existentes . Tal microdispositivo multifuncional puede reproducir propiedades estructurales, funcionales y mecánicas clave de la interfaz alveolar-capilar humana (es decir, la unidad funcional fundamental del pulmón vivo).

Dongeun Huh, del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard, describe la fabricación de un sistema que contiene dos microcanales estrechamente opuestos separados por una membrana flexible porosa delgada (10 µm) hecha de PDMS . El dispositivo comprende en gran parte tres canales de microfluidos, y solo el del medio sostiene la membrana porosa. Las células de cultivo se hicieron crecer a ambos lados de la membrana: células epiteliales alveolares humanas en un lado y células endoteliales microvasculares pulmonares humanas en el otro.

La compartimentación de los canales facilita no solo el flujo de aire como un fluido que entrega células y nutrientes a la superficie apical del epitelio, sino que también permite que existan diferencias de presión entre los canales medio y lateral. Durante la inspiración normal en el ciclo respiratorio de un ser humano , la presión intrapleural disminuye, lo que desencadena una expansión de los alvéolos. A medida que el aire entra en los pulmones, el epitelio alveolar y el endotelio acoplado en los capilares se estiran. Dado que hay un vacío conectado a los canales laterales, una disminución de la presión hará que el canal medio se expanda, estirando así la membrana porosa y, posteriormente, toda la interfaz alveolar-capilar. El movimiento dinámico impulsado por la presión detrás del estiramiento de la membrana, también descrito como una tensión mecánica cíclica (valorada en aproximadamente un 10%), aumenta significativamente la tasa de translocación de nanopartículas a través de la membrana porosa, en comparación con una versión estática de este dispositivo. ya un sistema de cultivo Transwell.

Para validar completamente la precisión biológica de un dispositivo, se deben evaluar las respuestas de todo el órgano. En este caso, los investigadores infligieron lesiones a las células:
Las respuestas inflamatorias pulmonares implican una estrategia de varios pasos, pero junto con una producción aumentada de células epiteliales y una liberación de respuesta temprana de citocinas , la interfase debe experimentar un mayor número de moléculas de adhesión de leucocitos . En el experimento de Huh, se simuló la inflamación pulmonar mediante la introducción de un medio que contenía un potente mediador proinflamatorio. Solo horas después de que se produjo la lesión, las células del dispositivo de microfluidos sometidas a una cepa cíclica reaccionaron de acuerdo con la respuesta biológica mencionada anteriormente.
  • Infección pulmonar.
Se utilizó la bacteria viva E-coli para demostrar cómo el sistema puede incluso imitar la respuesta celular innata a una infección pulmonar bacteriana . Las bacterias se introdujeron en la superficie apical del epitelio alveolar. En cuestión de horas, se detectaron neutrófilos en el compartimento alveolar, lo que significa que habían transmigrado del microcanal vascular donde la membrana porosa había fagocitado a las bacterias.

Además, los investigadores creen que el valor potencial de este sistema de pulmón en un chip ayudará en las aplicaciones de toxicología. Al investigar la respuesta pulmonar a las nanopartículas , los investigadores esperan aprender más sobre los riesgos para la salud en ciertos entornos y corregir modelos in vitro previamente simplificados. Debido a que un pulmón microfluídico en un chip puede reproducir con mayor precisión las propiedades mecánicas de un pulmón humano vivo, sus respuestas fisiológicas serán más rápidas y precisas que un sistema de cultivo Transwell . Sin embargo, los estudios publicados admiten que las respuestas de un pulmón en un chip aún no reproducen completamente las respuestas de las células epiteliales alveolares nativas.

Corazón en un chip

Los esfuerzos anteriores para replicar entornos de tejido cardíaco in vivo han demostrado ser un desafío debido a las dificultades para imitar la contractilidad y las respuestas electrofisiológicas . Tales características aumentarían enormemente la precisión de los experimentos in vitro.

La microfluídica ya ha contribuido a experimentos in vitro sobre cardiomiocitos , que generan los impulsos eléctricos que controlan la frecuencia cardíaca . Por ejemplo, los investigadores han construido una serie de microcámaras PDMS , alineadas con sensores y electrodos estimulantes como una herramienta que monitoreará electroquímica y ópticamente el metabolismo de los cardiomiocitos. Otro laboratorio en un chip combinó de manera similar una red de microfluidos en PDMS con microelectrodos planos, esta vez para medir los potenciales extracelulares de cardiomiocitos murinos adultos individuales .

Un diseño informado de un corazón en un chip afirma haber construido "un medio eficiente de medir las relaciones estructura-función en construcciones que replican las arquitecturas de tejido jerárquico del músculo cardíaco laminar". Este chip determina que la alineación de los miocitos en el aparato contráctil hecho de tejido cardíaco y el perfil de expresión génica (afectado por la deformación de la forma y la estructura celular) contribuye a la fuerza producida en la contractilidad cardíaca. Este corazón en un chip es una construcción biohíbrida: un miocardio ventricular anisotrópico diseñado es una película delgada elastomérica .

El proceso de diseño y fabricación de este dispositivo de microfluidos en particular implica cubrir primero los bordes de una superficie de vidrio con cinta (o cualquier película protectora) para contornear la forma deseada del sustrato. Un revestimiento por centrifugación capa de PNIPA se aplica entonces. Después de su disolución, la película protectora se despega, dando como resultado un cuerpo autónomo de PNIPA. Los pasos finales implican el recubrimiento por rotación de la superficie protectora de PDMS sobre el cubreobjetos y el curado. Las películas delgadas musculares (MTF) permiten diseñar monocapas de músculo cardíaco sobre un sustrato delgado y flexible de PDMS. Para sembrar adecuadamente el cultivo celular 2D, se utilizó una técnica de impresión por microcontacto para diseñar un patrón de "pared de ladrillos" de fibronectina en la superficie del PDMS. Una vez que los miocitos ventriculares se sembraron en el sustrato funcionalizado, el patrón de fibronectina los orientó para generar una monocapa anisotrópica.

Después del corte de las películas delgadas en dos filas con dientes rectangulares y la posterior colocación de todo el dispositivo en un baño, los electrodos estimulan la contracción de los miocitos mediante una estimulación de campo, curvando así las tiras / dientes en el MTF. Los investigadores han desarrollado una correlación entre el estrés tisular y el radio de curvatura de las tiras de MTF durante el ciclo contráctil, validando el chip demostrado como una "plataforma para la cuantificación del estrés, electrofisiología y arquitectura celular".

Si bien los investigadores se han centrado en cultivos de células en 2D , las construcciones de células en 3D imitan mejor el entorno in vivo y las interacciones (por ejemplo, de célula a célula ) que ocurren en el cuerpo humano. De ahí que se consideren modelos prometedores para estudios como los de toxicología y respuesta a fármacos . Basándose en el estudio de Chen et al, las interacciones de. Valvular endotelial / intersticial células ( V ECs / V ICs ) se estudian a través de un 3D PDMS - vidrio de microfluidos dispositivo con un canal superior fluyó con V ECs bajo tensión de cizallamiento , una membrana con poros uniformes y un canal inferior que contiene V IC - hidrogel . Se verifica que las V EC restringen la diferenciación de miofibroblastos V IC mórbidos , con supresión reforzada por esfuerzo cortante .

Se mide otro diseño de corazón en un chip de microfluidos 3D de PDMS para generar del 10% al 15% de las deformaciones mecánicas cíclicas uniaxiales . El dispositivo consta de un cultivo celular con postes colgantes para enjaulado y un compartimento de actuación con postes de andamio para evitar el pandeo del PDMS , junto con la imitación de la señal de presión del ciclo cardíaco . Los neonatales de rata ingeniería-micro tejidos cardíacos (μECTs) estimulados por este espectáculo diseño mejorado latido síncrono, la proliferación , la maduración, y la viabilidad en comparación con el control no estimulado. Se observa que la tasa de contracción de los cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidos por humanos (hiPSC-CM) se acelera con 100 veces menos isoprenalina , un tratamiento de bloqueo cardíaco, cuando se tiene una señal de estimulación eléctrica (+ ES) en comparación con aquellos sin ES.

Los corazones en chips de microfluidos 3D también han facilitado la investigación de las enfermedades cardíacas. Por ejemplo, la hipertrofia cardíaca y la fibrosis se estudian a través del nivel de biomarcador respectivo de los μECT estimulados mecánicamente, como el péptido natriurético auricular (ANP) para el primero y el factor de crecimiento transformante-β (TGF-β) para el segundo. Además, el conocimiento de la isquemia se obtiene mediante observaciones del potencial de acción .

Riñón en un chip

Las células renales y las nefronas ya se han simulado mediante dispositivos de microfluidos. "Estos cultivos celulares pueden conducir a nuevos conocimientos sobre la función de las células y los órganos y pueden utilizarse para la detección de fármacos". Un dispositivo de riñón en un chip tiene el potencial de acelerar la investigación que abarca el reemplazo artificial de la función renal perdida . Hoy en día, la diálisis requiere que los pacientes vayan a una clínica hasta tres veces por semana. Una forma de tratamiento más transportable y accesible no solo aumentaría la salud general del paciente (al aumentar la frecuencia del tratamiento), sino que todo el proceso se volvería más eficiente y tolerable. La investigación del riñón artificial se esfuerza por brindar transportabilidad, portabilidad y quizás capacidad de implantación a los dispositivos a través de disciplinas innovadoras: microfluidos, miniaturización y nanotecnología.

Nefrona en un chip

La nefrona es la unidad funcional del riñón y está compuesta por un glomérulo y un componente tubular. Los investigadores del MIT afirman haber diseñado un dispositivo bioartificial que replica la función del glomérulo de la nefrona, el túbulo contorneado proximal y el asa de Henle .

Cada parte del dispositivo tiene su diseño único, que generalmente consta de dos capas microfabricadas separadas por una membrana. La única entrada al dispositivo de microfluidos está diseñada para la muestra de sangre que ingresa . En la sección del glomérulo de la nefrona, la membrana permite que ciertas partículas sanguíneas atraviesen su pared de células capilares, compuestas por el endotelio, la membrana basal y los podocitos epiteliales. El líquido que se filtra de la sangre capilar al espacio de Bowman se denomina filtrado u orina primaria .

En los túbulos, algunas sustancias se agregan al filtrado como parte de la formación de la orina, y algunas sustancias se reabsorben del filtrado y regresan a la sangre. El primer segmento de estos túbulos es el túbulo contorneado proximal. Aquí es donde tiene lugar la absorción casi completa de sustancias nutricionalmente importantes. En el dispositivo, esta sección es simplemente un canal recto, pero las partículas de sangre que van al filtrado tienen que atravesar la membrana mencionada anteriormente y una capa de células del túbulo proximal renal. El segundo segmento de los túbulos es el asa de Henle donde tiene lugar la reabsorción de agua e iones de la orina. Los canales de bucle del dispositivo se esfuerzan por simular el mecanismo de contracorriente del bucle de Henle. Asimismo, el bucle de Henle requiere varios tipos de células diferentes porque cada tipo de célula tiene propiedades y características de transporte distintas. Estos incluyen las células de la extremidad descendente , las células de la extremidad ascendente delgadas , las células de la extremidad ascendente gruesa , las células del conducto colector cortical y las células del conducto colector medular .

Un paso para validar la simulación del dispositivo de microfluidos de la filtración completa y el comportamiento de reabsorción de una nefrona fisiológica incluiría demostrar que las propiedades de transporte entre la sangre y el filtrado son idénticas con respecto al lugar donde ocurren y lo que deja entrar la membrana. Por ejemplo, la gran mayoría del transporte pasivo de agua ocurre en el túbulo proximal y la rama delgada descendente, o el transporte activo de NaCl ocurre principalmente en el túbulo proximal y la rama ascendente gruesa. Los requisitos de diseño del dispositivo requerirían que la fracción de filtración en el glomérulo variara entre 15-20%, o la reabsorción de filtración en el túbulo contorneado proximal variara entre 65-70% y, finalmente, la concentración de urea en orina (recolectada en uno de los dos salidas del dispositivo) para variar entre 200 y 400 mM.

Un informe reciente ilustra una nefrona biomímica en dispositivos de microfluidos de hidrogel con el establecimiento de la función de difusión pasiva. La compleja función fisiológica de la nefrona se logra sobre la base de interacciones entre vasos y túbulos (ambos son canales huecos). Sin embargo, las técnicas de laboratorio convencionales generalmente se enfocan en estructuras 2D, como la placa de Petri que carece de capacidad para recapitular la fisiología real que ocurre en 3D. Por lo tanto, los autores desarrollaron un nuevo método para fabricar microcanales funcionales, de revestimiento celular y perfundibles dentro del hidrogel 3D. Las células endoteliales de vasos y epiteliales renales se cultivan dentro del microcanal de hidrogel y forman una cobertura celular para imitar vasos y túbulos, respectivamente. Emplearon un microscopio confocal para examinar la difusión pasiva de una pequeña molécula orgánica (generalmente medicamentos) entre los vasos y los túbulos en hidrogel. El estudio demuestra el potencial beneficioso de imitar la fisiología renal para la medicina regenerativa y la detección de fármacos.

Hígado en un chip

El hígado es un órgano importante del metabolismo y está relacionado con el almacenamiento de glucógeno, la descomposición de los glóbulos rojos, la síntesis de ciertas proteínas y hormonas y la desintoxicación . Dentro de estas funciones, su respuesta de desintoxicación es esencial para el desarrollo de nuevos fármacos y los ensayos clínicos . Además, debido a sus múltiples funciones, el hígado es propenso a muchas enfermedades y las enfermedades hepáticas se han convertido en un desafío global.

Visión general

Los dispositivos de hígado en un chip utilizan técnicas de microfluidos para simular el sistema hepático imitando lóbulos hepáticos complejos que involucran funciones hepáticas. Los dispositivos de hígado en un chip proporcionan un buen modelo para ayudar a los investigadores a trabajar en la disfunción y patogénesis del hígado con un costo relativamente bajo. Los investigadores utilizan hepatocitos primarios de rata y otras células no parenquimatosas. Este método de cocultivo está ampliamente estudiado y se ha demostrado que es beneficioso para prolongar el tiempo de supervivencia de los hepatocitos y respalda el desempeño de funciones específicas del hígado. Muchos sistemas de hígado en un chip están hechos de poli (dimetilsiloxano) (PDMS) con múltiples canales y cámaras según el diseño y el objetivo específicos. El PDMS se utiliza y se ha vuelto popular porque tiene un precio relativamente bajo para las materias primas y también se moldea fácilmente para dispositivos de microfluidos.

Aplicaciones

Un diseño de Kane et al. cocultiva hepatocitos primarios de rata y fibroblastos 3T3-J2 en una matriz de 8 * 8 elementos de pocillos de microfluidos. Cada pocillo está separado en dos cámaras. La cámara principal contiene hepatocitos de rata y fibroblastos 3T3-J2 y está hecha de vidrio para la adhesión de las células. Cada una de las cámaras primarias está conectada a una red de microfluidos que suministran sustrato metabólico y eliminan los subproductos metabólicos. Una membrana de 100 µm de espesor de PDMS separa la cámara primaria y secundaria, lo que permite que la cámara secundaria se conecte a otra red de microfluidos que perfunde aire ambiente a 37 ° C con dióxido de carbono al 10% y produce intercambio de aire para los hepatocitos de rata. La producción de urea y proteína en estado estable demuestra la viabilidad de este dispositivo para su uso en estudios de toxicidad de alto rendimiento.

Otro diseño de Kang et al. cocultiva hepatocitos primarios de rata y células endoteliales . Primero se hace un monocanal. Luego, los hepatocitos y las células endoteliales se plantan en el dispositivo y se separan por una capa delgada de Matrigel en el medio. El sustrato metabólico y los subproductos metabólicos comparten este canal para ser suministrados o eliminados. Más tarde, se crea un canal doble y las células endoteliales y las células de los hepatocitos tienen sus propios canales para suministrar el sustrato o eliminar el subproducto. La producción de urea y el resultado positivo en la prueba de replicación del virus de la hepatitis B (VHB) muestra su potencial para estudiar virus hepatotrópicos.

Hay algunas otras aplicaciones en hígado en chip. Lu y col. desarrolló un modelo de tumor de hígado en un chip. El tumor hepático biomimético basado en matriz de hígado descelularizado (DLM) -gelatina metacriloílo (GelMA) -en un chip demostró ser un diseño adecuado para estudios antitumorales adicionales. Zhou y col. analizaron las lesiones del alcohol en los hepatocitos y la señalización y recuperación.

El hígado en un chip ha demostrado su gran potencial para la investigación relacionada con el hígado. Los objetivos futuros de los dispositivos de hígado en un chip se centran en recapitular un entorno hepático más realista, incluidos reactivos en líquidos, tipos de células, prolongación del tiempo de supervivencia, etc.

Próstata en un chip

La investigación de próstata en un chip generalmente se ocupa de replicar el epitelio de la próstata, ya que la patología revela que este es el origen en la mayoría de los casos de carcinoma. Las recreaciones microfluídicas de tejido epitelial sirven esencialmente como el siguiente paso lógico en la evolución de las células prostáticas aisladas de ratones al cultivo de células humanas bidimensionales y tridimensionales. Los desarrollos de PDMS han permitido la creación de sistemas de microfluidos que ofrecen el beneficio de la topografía ajustable, así como el intercambio de gases y líquidos , y la facilidad de observación mediante microscopía.

Investigadores de la Universidad de Grenoble Alpes han esbozado una metodología que utiliza un sistema de microfluidos con el propósito de recrear un epitelio de próstata viable. El enfoque se centra en una configuración de microcanal cilíndrico, que imita la morfología de un conducto secretor humano, dentro del cual se encuentra el epitelio. </ref> Se evaluaron varios diámetros de microcanales para la promoción exitosa de cultivos celulares, y se observó que los diámetros de 150-400 µm fueron los más exitosos. Además, la adhesión celular se mantuvo a lo largo de esta experimentación, a pesar de la introducción de estrés físico a través de variaciones en las corrientes microfluídicas.

El objetivo de estas construcciones es facilitar la recolección de líquido prostático, así como medir las reacciones celulares a los cambios microambientales . Además, prostate-on-a-chip permite la recreación de escenarios de metástasis , lo que permite la evaluación de candidatos a fármacos y otros enfoques terapéuticos. La escalabilidad de este método también es atractiva para los investigadores, ya que el enfoque del molde reutilizable garantiza un bajo costo de producción.

Recipiente en un chip

Las enfermedades cardiovasculares a menudo son causadas por cambios en la estructura y función de los vasos sanguíneos pequeños. Por ejemplo, las tasas de hipertensión autoinformadas sugieren que la tasa está aumentando, dice un informe de 2003 de la Encuesta Nacional de Examen de Salud y Nutrición . Una plataforma de microfluidos que simule la respuesta biológica de una arteria no solo podría permitir que las pruebas de detección de órganos se produzcan con mayor frecuencia a lo largo de un ensayo de desarrollo de fármacos, sino que también proporcionaría una comprensión integral de los mecanismos subyacentes detrás de los cambios patológicos en las arterias pequeñas y desarrollar mejores estrategias de tratamiento. Axel Gunther de la Universidad de Toronto sostiene que tales dispositivos basados ​​en MEMS podrían ayudar potencialmente en la evaluación del estado microvascular de un paciente en un entorno clínico ( medicina personalizada ).

Los métodos convencionales utilizados para examinar las propiedades intrínsecas de los vasos de resistencia aislados (arteriolas y arterias pequeñas con diámetros que varían entre 30 µm y 300 µm) incluyen la técnica de miografía de presión . Sin embargo, estos métodos actualmente requieren personal capacitado manualmente y no son escalables. Una arteria en un chip podría superar varias de estas limitaciones acomodando una arteria en una plataforma que sería escalable, económica y posiblemente automatizada en su fabricación.

Se ha desarrollado una plataforma de microfluidos basada en órganos como un laboratorio en un chip en el que se puede fijar un vaso sanguíneo frágil, lo que permite estudiar los determinantes de las disfunciones de las arterias de resistencia.

El microambiente de la arteria se caracteriza por la temperatura circundante, la presión transmural y las concentraciones de fármaco luminal y abluminal . Las múltiples entradas de un microambiente provocan una amplia gama de estímulos mecánicos o químicos en las células del músculo liso (SMC) y las células endoteliales (CE) que recubren las paredes exterior y luminal del vaso, respectivamente. Las células endoteliales son las encargadas de liberar vasoconstricción y factores vasodilatadores , modificando así el tono. El tono vascular se define como el grado de constricción dentro de un vaso sanguíneo en relación con su diámetro máximo. Los conceptos patogénicos creen actualmente que los cambios sutiles en este microambiente tienen efectos pronunciados sobre el tono arterial y pueden alterar severamente la resistencia vascular periférica . Los ingenieros detrás de este diseño creen que una fortaleza específica radica en su capacidad para controlar y simular influencias espacio-temporales heterogéneas que se encuentran dentro del microambiente, mientras que los protocolos de miografía, en virtud de su diseño, solo han establecido microambientes homogéneos . Demostraron que al administrar fenilefrina a través de solo uno de los dos canales que proporcionan superfusión a las paredes externas, el lado que mira al fármaco se contrae mucho más que el lado opuesto al fármaco.

La arteria en un chip está diseñada para la implantación reversible de la muestra. El dispositivo contiene una red de microcanales, un área de carga de arterias y un área de inspección de arterias separada. Hay un microcanal que se usa para cargar el segmento de la arteria, y cuando el pozo de carga está sellado, también se usa como un canal de perfusión , para replicar el proceso de entrega nutritiva de sangre arterial a un lecho capilar en el tejido biológico. Otro par de microcanales sirve para fijar los dos extremos del segmento arterial. Finalmente, el último par de microcanales se utiliza para proporcionar tasas de flujo de superfusión, con el fin de mantener la actividad fisiológica y metabólica del órgano mediante la entrega de un medio de sostenimiento constante sobre la pared abluminal. Un calentador termoeléctrico y un termorresistor están conectados al chip y mantienen las temperaturas fisiológicas en el área de inspección de las arterias.

El protocolo de carga y seguridad de la muestra de tejido en la zona de inspección ayuda a comprender cómo este enfoque reconoce las funciones de todo el órgano. Después de sumergir el segmento de tejido en el pozo de carga, el proceso de carga es impulsado por una jeringa que extrae un caudal constante de solución tampón en el extremo más alejado del canal de carga. Esto provoca el transporte de la arteria hacia su posición dedicada. Esto se hace con líneas cerradas de fijación y superfusión de entrada / salida. Después de detener la bomba , se aplica presión subatmosférica a través de uno de los canales de fijación. Luego, después de sellar el pozo de carga, el segundo canal de fijación se somete a una presión subatmosférica. Ahora la arteria está establecida simétricamente en el área de inspección y el segmento siente una presión transmural. Los canales restantes se abren y la perfusión y superfusión constantes se ajustan utilizando bombas de jeringa separadas.

Vessel-on-chips se ha aplicado para estudiar muchos procesos patológicos. Por ejemplo, Alireza Mashaghi y sus colaboradores desarrollaron un modelo para estudiar el síndrome hemorrágico viral, que implica la pérdida de la integridad vascular inducida por el virus. El modelo se utilizó para estudiar la enfermedad por el virus del Ébola y para estudiar los fármacos anti-Ébola. En 2021, el enfoque se ha adaptado para modelar la fiebre de Lassa y mostrar los efectos terapéuticos del péptido FX-06 para la enfermedad por virus de Lassa.

Piel en un chip

La piel humana es la primera línea de defensa contra muchos patógenos y puede estar sujeta a una variedad de enfermedades y problemas, como cánceres e inflamación. Como tal, las aplicaciones skin-on-a-chip (SoC) incluyen la prueba de productos farmacéuticos y cosméticos tópicos, el estudio de la patología de las enfermedades de la piel y la inflamación y la "creación de ensayos celulares automatizados no invasivos " para detectar la presencia de antígenos o anticuerpos que podrían denotar la presencia de un patógeno. A pesar de la amplia variedad de aplicaciones potenciales, se ha realizado relativamente poca investigación para desarrollar una piel en un chip en comparación con muchos otros órganos en un chip, como los pulmones y los riñones. Problemas como el desprendimiento del andamio de colágeno de los microcanales, la diferenciación celular incompleta y el uso predominante de poli (dimetisiloxano) (PDMS) para la fabricación de dispositivos, que se ha demostrado que filtra sustancias químicas en muestras biológicas y no puede producirse en masa. plataforma. Una dificultad adicional es la variabilidad del andamiaje de cultivo celular, o la sustancia base en la que se cultivan las células, que se usa en los dispositivos skin-on-chip. En el cuerpo humano, esta sustancia se conoce como matriz extracelular.

La matriz extracelular (ECM) está compuesta principalmente de colágeno, y se han probado varios andamios basados ​​en colágeno en modelos SoC. El colágeno tiende a desprenderse del esqueleto microfluídico durante el cultivo debido a la contracción de los fibroblastos . Un estudio intentó abordar este problema comparando las cualidades del andamio de colágeno de tres fuentes animales diferentes: piel de cerdo, cola de rata y patas de pato. Otros estudios también enfrentaron problemas de desprendimiento debido a la contracción, lo que puede ser problemático considerando que el proceso de diferenciación completa de la piel puede demorar hasta varias semanas. Los problemas de contracción se han evitado reemplazando el andamio de colágeno con una matriz dérmica a base de fibrina , que no se contrajo. También se informó una mayor diferenciación y formación de capas celulares en el cultivo de microfluidos en comparación con el cultivo estático tradicional, lo que coincide con los hallazgos anteriores de interacciones mejoradas entre células y células y matriz debido a la perfusión dinámica, o una mayor permeación a través de los espacios intersticiales debido a la presión de flujo continuo de medios. Se cree que esta diferenciación y crecimiento mejorados es en parte producto del esfuerzo cortante creado por el gradiente de presión a lo largo de un microcanal debido al flujo de fluido, que también puede mejorar el suministro de nutrientes a las células que no están directamente adyacentes al medio . En cultivos estáticos, utilizados en equivalentes tradicionales de piel, las células reciben nutrientes en el medio solo a través de la difusión, mientras que la perfusión dinámica puede mejorar el flujo de nutrientes a través de los espacios intersticiales o los espacios entre las células. También se ha demostrado que esta perfusión mejora la formación de uniones estrechas del estrato córneo , la capa exterior resistente de la epidermis, que es la principal barrera para la penetración de la capa superficial de la piel.

La perfusión dinámica también puede mejorar la viabilidad celular, demostrado al colocar un equivalente de piel comercial en una plataforma de microfluidos que extendió la vida útil esperada por varias semanas. Este primer estudio también demostró la importancia de los folículos pilosos en modelos equivalentes de piel. Los folículos pilosos son la ruta principal hacia la capa subcutánea para las cremas tópicas y otras sustancias que se aplican a la superficie de la piel, una característica que los estudios más recientes a menudo no han tenido en cuenta.

Un estudio desarrolló un SoC que consta de tres capas, la epidermis , la dermis y la capa endotelial , separadas por membranas porosas, para estudiar el edema , la hinchazón debido a la acumulación de líquido extracelular, una respuesta común a una infección o lesión y un paso esencial para la reparación celular. Se demostró que la pre-aplicación de Dex, una crema esteroidea con propiedades antiinflamatorias, redujo esta hinchazón en el SoC.

Humano en un chip

Los investigadores están trabajando para construir un sistema de cultivo celular de microfluidos 3D multicanal que compartimente microambientes en los que se cultivan agregados celulares 3D para imitar múltiples órganos del cuerpo. En la actualidad, la mayoría de los modelos de órgano en un chip solo cultivan un tipo de célula, por lo que, aunque pueden ser modelos válidos para estudiar funciones de órganos completos, el efecto sistémico de un fármaco en el cuerpo humano no está verificado.

En particular, se desarrolló un análogo de cultivo celular integrado (µCCA) que incluía células pulmonares, hígado metabolizador de fármacos y células grasas . Las células se vincularon en una red fluídica 2D con medio de cultivo circulando como sustituto de la sangre, proporcionando así de manera eficiente un sistema de transporte de suministro nutricional, mientras que simultáneamente se eliminan los desechos de las células. "El desarrollo del µCCA sentó las bases para un modelo farmacocinético in vitro realista y proporcionó un sistema biomimético integrado para cultivar múltiples tipos de células con alta fidelidad a situaciones in vivo", afirman C. Zhang et al. Han desarrollado un micro-fluido humano en un chip, cultivando cuatro tipos de células diferentes para imitar cuatro órganos humanos: hígado, pulmón, riñón y grasa. Se centraron en desarrollar un medio de cultivo estándar sin suero que sería valioso para todos los tipos de células incluidos en el dispositivo. Los medios estándar optimizados generalmente se dirigen a un tipo de célula específico, mientras que un humano en un chip requerirá evidentemente un medio común (CM). De hecho, afirman haber identificado un CM de cultivo celular que, cuando se usa para perfundir todos los cultivos celulares en el dispositivo de microfluidos, mantiene los niveles funcionales de las células. El aumento de la sensibilidad de las células cultivadas in vitro asegura la validez del dispositivo, o que cualquier fármaco inyectado en los microcanales estimulará una reacción fisiológica y metabólica idéntica de las células de muestra como órganos completos en humanos.

Con un desarrollo más extenso de este tipo de chip, las compañías farmacéuticas potencialmente podrán medir los efectos directos de la reacción de un órgano sobre otro. Por ejemplo, se examinaría la entrega de sustancias bioquímicas para confirmar que, aunque puede beneficiar a un tipo de célula, no compromete las funciones de otras. Probablemente ya sea posible imprimir estos órganos con impresoras 3D, pero el costo es demasiado alto. El diseño de dispositivos biomiméticos para todo el cuerpo aborda una importante reserva que tienen las empresas farmacéuticas hacia los órganos en chips, a saber, el aislamiento de órganos. A medida que estos dispositivos se vuelven cada vez más accesibles, la complejidad del diseño aumenta exponencialmente. Los sistemas pronto tendrán que proporcionar simultáneamente perturbaciones mecánicas y flujo de fluidos a través de un sistema circulatorio . "Todo lo que requiera control dinámico en lugar de solo control estático es un desafío", dice Takayama de la Universidad de Michigan .

Reemplazo de la experimentación con animales

En la fase inicial del desarrollo de fármacos, los modelos animales eran la única forma de obtener datos in vivo que predecirían las respuestas farmacocinéticas humanas. Sin embargo, los experimentos con animales son largos, costosos y controvertidos. Por ejemplo, los modelos animales a menudo se someten a técnicas mecánicas o químicas que simulan lesiones humanas. También existen preocupaciones con respecto a la validez de tales modelos animales, debido a la deficiencia en la extrapolación entre especies. Además, los modelos animales ofrecen un control muy limitado de variables individuales y puede resultar engorroso recolectar información específica.

Por lo tanto, la imitación de las respuestas fisiológicas de un ser humano en un modelo in vitro debe ser más asequible y debe ofrecer un control del nivel celular en experimentos biológicos: los sistemas de microfluidos biomiméticos podrían reemplazar las pruebas con animales . El desarrollo de biochips basados ​​en MEMS que reproducen respuestas patológicas complejas a nivel de órganos podría revolucionar muchos campos, incluida la toxicología y el proceso de desarrollo de productos farmacéuticos y cosméticos que se basan en pruebas con animales y ensayos clínicos .

Recientemente, se han desarrollado sistemas de perfusión in vitro de base fisiológica para proporcionar un entorno de cultivo celular cercano al entorno celular in vivo. Una nueva plataforma de pruebas basada en sistemas perfundidos multicompartimentales ha ganado un interés notable en farmacología y toxicología. Su objetivo es proporcionar un entorno de cultivo celular cercano a la situación in vivo para reproducir de manera más confiable los mecanismos in vivo o procesos ADME que involucran su absorción, distribución, metabolismo y eliminación. Los sistemas in vitro perfundidos combinados con el modelado cinético son herramientas prometedoras para el estudio in vitro de los diferentes procesos implicados en la toxicocinética de los xenobióticos.

Esfuerzos realizados para el desarrollo de sistemas de cultivo celular microfabricados que tienen como objetivo crear modelos que replican aspectos del cuerpo humano lo más fielmente posible y dan ejemplos que demuestran su uso potencial en el desarrollo de fármacos, como la identificación de interacciones sinérgicas de fármacos y la simulación de múltiples -Interacciones metabólicas de órganos. Los dispositivos multicompartimentales basados ​​en microfluidos, en particular aquellos que son representaciones físicas de modelos farmacocinéticos de base fisiológica ( PBPK ) que representan la transferencia de masa de compuestos en modelos compartimentales del cuerpo de los mamíferos, pueden contribuir a mejorar el proceso de desarrollo de fármacos.

Los modelos de farmacocinética matemática (PK) tienen como objetivo estimar los perfiles de concentración-tiempo dentro de cada órgano sobre la base de la dosis inicial del fármaco. Dichos modelos matemáticos pueden ser relativamente simples, tratando el cuerpo como un solo compartimento en el que la distribución del fármaco alcanza un equilibrio rápido después de la administración. Los modelos matemáticos pueden ser muy precisos cuando se conocen todos los parámetros involucrados. Los modelos que combinan modelos PK o PBPK con modelos PD pueden predecir los efectos farmacológicos dependientes del tiempo de un fármaco. Hoy en día podemos predecir con modelos PBPK la PK de cualquier sustancia química en humanos, casi desde los primeros principios. Estos modelos pueden ser muy simples, como modelos estadísticos dosis-respuesta, o sofisticados y basados ​​en biología de sistemas, según el objetivo que se persiga y los datos disponibles. Todo lo que necesitamos para esos modelos son buenos valores de parámetros para la molécula de interés.

Los sistemas de cultivo de células de microfluidos , como los análogos de cultivos de micro células (μCCA), podrían usarse junto con los modelos de PBPK. Estos dispositivos μCCA reducidos, también denominados dispositivos de cuerpo en un chip, pueden simular interacciones de múltiples tejidos en condiciones de flujo de fluidos casi fisiológicas y con proporciones realistas de tamaño de tejido a tejido. Los datos obtenidos con estos sistemas pueden usarse para probar y refinar hipótesis mecanicistas. Los dispositivos de microfabricación también nos permiten diseñarlos a medida y escalar correctamente los compartimentos de los órganos entre sí.

Dado que el dispositivo se puede utilizar tanto con células animales como humanas, puede facilitar la extrapolación entre especies. Utilizados junto con los modelos PBPK, los dispositivos permiten una estimación de concentraciones efectivas que pueden usarse para estudios con modelos animales o predecir la respuesta humana. En el desarrollo de dispositivos multicompartimentales, se pueden utilizar representaciones del cuerpo humano, como las de los modelos PBPK usados, para guiar el diseño del dispositivo con respecto a la disposición de las cámaras y las conexiones de los canales fluídicos para aumentar el proceso de desarrollo del fármaco, lo que resulta en un mayor éxito en ensayos clínicos.

Ver también

Referencias

enlaces externos