Órganos en Chips: Desarrollo de Órganos Humanos en Miniatura

Artículo original: Organs-on-chips: Growing Miniature Human Organs Li Jiun Chen

Traducido por Jenna Hartstein

¿Sabías que ahora es posible estudiar órganos humanos dentro de microchips? Un órgano integrado a un chip o un laboratorio en un chip es un chip de cultivo celular usado para inducir actividades y respuestas fisiológicas de los tejidos u órganos humanos. Tratemos de imaginar un chip de cultivo celular como una plataforma que alberga cámaras de cultivo celular miniaturizadas.  Las cámaras son en realidad canales de tamaño minúsculo (llamados microcanales) donde se pueden cargar y cultivar células de varios tipos. Los microcanales están conectados al medio de cultivo (proveyendo nutrientes a las células) y a salidas (eliminando los desechos celulares). Los investigadores eligen diferentes tamaños y diseños de un chip de cultivo celular en función de sus objetivos experimentales.

La tecnología de órganos en chip se basa en sistemas microelectromecánicos, que se utilizan para crear aparatos formados por componentes del tamaño micrométricos. Como su nombre indica, los aparatos de sistemas microelectromecánicos son aparatos microscópicos con partes mecánicas y/o componentes eléctricos. Con la tecnología de sistemas microelectromecánicos, los sensores y los aparatos se pueden hacer más pequeños sin comprometer sus funcionalidades.

Las aplicaciones de sistemas microelectromecánicos abarcan desde sensores y pantallas, como los que usamos en automóviles y videojuegos, hasta aparatos claves para las ciencias de la salud. Un buen ejemplo son los acelerómetros de sistemas microelectromecánicos utilizados en los controladores de juegos del Nintendo Wii. Los sistemas microelectromecánicos biológicos tienen aplicaciones en tecnologías médicas y relacionadas con la salud, como en las herramientas de diagnóstico miniaturizadas. Un ejemplo son los chips de análisis de sangre desarrollados por un equipo internacional de investigadores que se pueden utilizar para procesar muestras de sangre entera para el diagnóstico de enfermedades.  O, imaginemos el día en que las agujas de inyección sean de tamaño microscópico; la inyección sin dolor está garantizada (¡Hurra, niños!).

Entonces, ¿cómo se fabrican exactamente los aparatos de sistemas microelectromecánicos y los chips de cultivo celular para reconstruir entornos fisiológicos en miniatura? En la fabricación de estos dispositivos se utilizan diferentes materiales como silicio, metales, cerámica y polímeros. La fabricación implica una serie de procesos basados en la fabricación de dispositivos semiconductores. Primero, el plano deseado de un dispositivo se dibuja en el software de diseño asistido por computadora (CAD, por sus siglas en inglés), creando un patrón en dos dimensiones (la máscara). A continuación, la máscara se utiliza para convertir el dibujo de dos dimensiones en cámaras de cultivo celular de tres dimensiones, depositando una capa delgada de material sensible a la luz sobre un sustrato (silicio) y, luego, eliminándolo selectivamente para producir una plataforma de cultivo celular en tres dimensiones deseable (microcanales y microcámaras) para las necesidades experimentales. Para recrear los procesos fisiológicos in vitro (fuera de los cuerpos humanos), los investigadores diseñan y fabrican la plataforma de cultivo celular, para cargarla con diferentes tipos de células (pulmón, riñón, intestino, etc.) en los experimentos.

Hasta ahora, los órganos que se han explorado in vitro incluyen el riñón, los intestinos, el corazón, los huesos, la retina, los vasos sanguíneos… ¡y más! La barrera hematoencefálica, la membrana semipermeable que separa la circulación sistémica del sistema nervioso central, también se ha estudiado utilizando el dispositivo en chip. En un estudio, los investigadores imitaron la barrera hematoencefálica al cultivar células endoteliales de cerebro de rata dentro de un microcanal. El modelo de la barrera hematoencefálica se utilizó para estudiar la neuroinflamación al observar cómo respondía a la sustancia inflamatoria TNF-α. El mismo modelo se puede utilizar potencialmente en la búsqueda de medicamentos para enfermedades neurológicas. Los investigadores también han utilizado la tecnología de microfabricación para construir modelos in vitro de la retina humana en un chip y el ojo parpadeante en un chip para estudiar enfermedades oculares. La barrera hematorretiniana, una barrera restrictiva que regula los iones, las proteínas y el agua que entran y salen de la retina, se ha estudiado mediante el uso de una retina en chip. La barrera hematorretiniana es de particular importancia ya que su degradación conduce a enfermedades oculares debilitantes, incluidas la retinopatía diabética y la degeneración macular relacionada con la edad. Los investigadores también han utilizado estos modelos para estudiar las interacciones entre las células retinianas y la remodelación de la vascularización.

Además de las respuestas fisiológicas, también se han recapitulado los procesos inflamatorios y la angiogénesis (formación de vasos sanguíneos) no regulada dentro de los microdispositivos, ya que están asociados con procesos patológicos y la formación de tumores. Además de desarrollar un órgano en un chip con un solo tejido de interés, los investigadores ahora están construyendo sistemas integrados de múltiples órganos en chips, al conectar varios órganos para crear un microsistema más relevante fisiológicamente. Por ejemplo, se han creado chips combinados de hígado y corazón humanos completamente integrados, y hay más por venir.

No subestimemos los modelos en chip ya que nos permiten hacer más que solo reconstruir órganos in vitro. Aunque aún en etapa experimental, se han utilizado chips para probar cómo responden los tejidos a determinadas enfermedades o la eficacia y el efecto de los medicamentos. Por tanto, es posible construir modelos de enfermedades in vitro, abriendo más puertas a la investigación farmacológica. Aplicar tecnología de ingeniería avanzada a los campos médicos para investigar problemas clínicamente relevantes es realmente genial, ¿no es así?

~~~

Escrito por Li Jiun Chen

Ilustrado por Alexa Erdogan

Traducido por Jenna Hartstein 

~~~
Become a Patron!

Referencias 

Yang, S. (2011, March 16). New blood analysis chip could lead to disease diagnosis in minutes. Retrieved from http://news.berkeley.edu/2011/03/16/standalone-lab-on-a-chip/

Cho, H., Seo, J. H., Wong, K. H. K., Terasaki, Y., Park, J., Bong, K., . . . Irimia, D. (2015). Three-Dimensional Blood-Brain BarrierA barrier between the brain itself and the blood supply of … Model for in vitro Studies of Neurovascular Pathology. Scientific Reports, 5, 15222. doi: 10.1038 / srep15222

Zhang, Y. S., Aleman, J., Shin, S. R., Kilic, T., Kim, D., Mousavi Shaegh, S. A., . . . Khademhosseini, A. (2017). Multisensor-integrated organs-on-chips platform for automated and continual in situ monitoring of organoid behaviors. Proc Natl Acad Sci U S A, 114(12), E2293-E2302. doi: 10.1073/pnas.1612906114

Li Jiun Chen

Li Jiun Chen actualmente está haciendo su doctorado en ingeniería mecánica en la Universidad de Tohoku, Japón. Su investigación consiste en la construcción de micro-capilares para aplicaciones médicas. También está interesada en modelos de órganos en chip basados en los microfluidos. Además de investigar el mundo de los micro-capilares, ella disfruta de realizar trabajo comunitario y es una gran fan de Knowing Neurons  y una entusiasta senderista.

 Jenna Hartstein

Jenna Hartstein es una estudiante de licenciatura de biología humana con especialidad en Español en UCLA. Es miembro de un laboratorio que investiga el impacto de los procesos del estrés (depresión, ansiedad y adversidad de vida temprana) en los resultados perinatales y la salud infantil. Le gusta conectar los campos de la neurociencia con sus estudios de español como a través de la traducción al español de artículos de Knowing Neurons. Tras su graduación, su objetivo es continuar sus estudios en la escuela de medicina.