El órgano en un chip plug-and-play se puede personalizar para el paciente
El nuevo chip de múltiples órganos tiene el tamaño de un portaobjetos de microscopio de vidrio y permite el cultivo de hasta cuatro tejidos humanos diseñados, cuya ubicación y El número se puede adaptar a la pregunta que se hace. Estos tejidos están conectados por flujo vascular, pero la presencia de una barrera endotelial selectivamente permeable mantiene su nicho específico de tejido. Crédito: Kacey Ronaldson-Bouchard/Columbia Engineering
Los tejidos diseñados se han convertido en un componente crítico para modelar enfermedades y probar la eficacia y seguridad de los medicamentos en un contexto humano. Un desafío importante para los investigadores ha sido cómo modelar las funciones corporales y las enfermedades sistémicas con múltiples tejidos diseñados que pueden comunicarse fisiológicamente tal como lo hacen en el cuerpo. Sin embargo, es esencial proporcionar a cada tejido diseñado su propio entorno para que los fenotipos específicos del tejido puedan mantenerse durante semanas o meses, según lo requieran los estudios biológicos y biomédicos. Lo que hace que el desafío sea aún más complejo es la necesidad de vincular los módulos de tejido para facilitar su comunicación fisiológica, lo cual es necesario para modelar condiciones que involucran más de un sistema de órganos, sin sacrificar los entornos de tejidos diseñados individualmente.
Hasta ahora, nadie ha sido capaz de cumplir ambas condiciones. Hoy, un equipo de investigadores de Columbia Engineering y el Centro Médico Irving de la Universidad de Columbia informan que han desarrollado un modelo de fisiología humana en forma de un chip de múltiples órganos que consta de corazón, hueso, hígado y piel humanos diseñados que están unidos por flujo vascular con células inmunitarias circulantes, para permitir la recapitulación de funciones de órganos interdependientes. Los investigadores han creado esencialmente un chip de múltiples órganos plug-and-play, que es del tamaño de un portaobjetos de microscopio, que se puede personalizar para el paciente. Debido a que la progresión de la enfermedad y las respuestas al tratamiento varían mucho de una persona a otra, dicho chip eventualmente permitirá la optimización personalizada de la terapia para cada paciente. El estudio es el artículo de portada de la edición de abril de 2022 de Nature Biomedical Engineering.
«Este es un gran logro para nosotros: hemos pasado diez años realizando cientos de experimentos, explorando innumerables ideas geniales y construyendo muchos prototipos , y ahora por fin hemos desarrollado esta plataforma que captura con éxito la biología de las interacciones de los órganos en el cuerpo», dijo Gordana Vunjak-Novakovic, líder del proyecto, profesora universitaria y profesora de ingeniería biomédica, ciencias médicas y medicina dental de la Fundación Mikati. .
Inspirándose en el cuerpo humano
Inspirándose en cómo funciona el cuerpo humano, el equipo ha construido un sistema de chip de tejido humano en el que vincularon el corazón, el hígado, los huesos y los módulos de tejido de la piel al recircular el flujo vascular, lo que permite que los órganos interdependientes se comuniquen tal como lo hacen en el cuerpo humano. Los investigadores eligieron estos tejidos porque tienen orígenes embrionarios, propiedades estructurales y funcionales claramente diferentes, y se ven afectados negativamente por los medicamentos para el tratamiento del cáncer, lo que presenta una prueba rigurosa del enfoque propuesto.
«Proporcionar comunicación entre tejidos mientras se preservan sus fenotipos individuales ha sido un gran desafío», dijo Kacey Ronaldson-Bouchard, autora principal del estudio y científica investigadora asociada en el Laboratorio de Células Madre e Ingeniería de Tejidos de Vunjak-Novakovic. . «Debido a que nos enfocamos en usar modelos de tejido derivados del paciente, debemos madurar individualmente cada tejido para que funcione de una manera que imite las respuestas que vería en el paciente, y no queremos sacrificar esta funcionalidad avanzada al conectar múltiples tejidos. En el cuerpo, cada órgano mantiene su propio entorno, mientras interactúa con otros órganos mediante el flujo vascular que transporta células circulantes y factores bioactivos. Por lo tanto, decidimos conectar los tejidos mediante la circulación vascular, preservando cada nicho de tejido individual que es necesario para mantener su biología. fidelidad, imitando la forma en que nuestros órganos están conectados dentro del cuerpo».
Los módulos de tejido optimizados se pueden mantener durante más de un mes
El grupo creó módulos de tejido, cada uno dentro de su ambiente y los separó del flujo vascular común por una barrera endotelial selectivamente permeable. Los entornos de tejidos individuales pudieron comunicarse a través de las barreras endoteliales ya través de la circulación vascular. Los investigadores también introdujeron en la circulación vascular los monocitos que dan origen a los macrófagos, debido a sus funciones importantes en la dirección de las respuestas de los tejidos a las lesiones, enfermedades y resultados terapéuticos.
Todos los tejidos se derivaron de la misma línea de humanos. células madre pluripotentes inducidas (iPSC), obtenidas de una pequeña muestra de sangre, con el fin de demostrar la capacidad para estudios individualizados y específicos de pacientes. Y, para probar que el modelo se puede usar para estudios a largo plazo, el equipo mantuvo los tejidos, que ya habían crecido y madurado durante cuatro a seis semanas, durante cuatro semanas más, después de que se unieron por perfusión vascular.
En nuestro estudio, cultivamos hígado, corazón, hueso y piel, conectados por flujo vascular durante cuatro semanas. Estos tejidos se pueden generar a partir de una sola célula madre pluripotente inducida humana, generando un chip específico para el paciente, un gran modelo para estudios individualizados de enfermedades humanas y pruebas de drogas. Crédito: Keith Yeager/Columbia Engineering
Uso del modelo para estudiar medicamentos contra el cáncer
Los investigadores también querían demostrar cómo se podría usar el modelo para estudios de una condición sistémica importante en un contexto humano y optaron por examinar los efectos adversos de los medicamentos contra el cáncer. Investigaron los efectos de la doxorubicina, un fármaco anticancerígeno ampliamente utilizado, en el corazón, el hígado, los huesos, la piel y la vasculatura. Demostraron que los efectos medidos recapitularon los informados de los estudios clínicos de terapia contra el cáncer usando el mismo medicamento.
El equipo desarrolló en paralelo un nuevo modelo computacional del chip multiorgánico para simulaciones matemáticas de la absorción, distribución, metabolismo y secreción de fármacos. Este modelo predijo correctamente el metabolismo de la doxorrubicina en doxorrubicinal y su difusión en el chip. La combinación del chip multiorgánico con la metodología computacional en estudios futuros de farmacocinética y farmacodinámica de otros fármacos proporciona una base mejorada para la extrapolación preclínica a clínica, con mejoras en la línea de desarrollo de fármacos.
«Al hacer eso «, también pudimos identificar algunos marcadores moleculares tempranos de cardiotoxicidad, el principal efecto secundario que limita el amplio uso del fármaco. En particular, el chip multiorgánico predijo con precisión la cardiotoxicidad y la miocardiopatía que a menudo requieren que los médicos reduzcan las dosis terapéuticas. de doxorrubicina o incluso para detener la terapia», dijo Vunjak-Novakovic.
Los tejidos cultivados en el chip multiorgánico (piel, corazón, hueso, hígado y barrera endotelial de izquierda a derecha) mantuvieron su especificidad de tejido. estructura y función después de estar unidas por el flujo vascular. Crédito: Kacey Ronaldson-Bouchard/Columbia Engineering
Colaboraciones en toda la universidad
El desarrollo del chip multiorgánico comenzó desde una plataforma con el corazón, el hígado y la vasculatura, apodada plataforma HeLiVa. Como siempre ocurre con la investigación biomédica de Vunjak-Novakovic, las colaboraciones fueron fundamentales para completar el trabajo. Estos incluyen el talento colectivo de su laboratorio, Andrea Califano y su equipo de biología de sistemas (Universidad de Columbia), Christopher S. Chen (Universidad de Boston) y Karen K. Hirschi (Universidad de Virginia) con su experiencia en biología vascular e ingeniería, Angela M Christiano y su equipo de investigación de la piel (Universidad de Columbia), Rajesh K. Soni de Proteomics Core en la Universidad de Columbia, y el soporte de modelado computacional del equipo de CFD Research Corporation.
Una multitud de aplicaciones, todas en contextos específicos de pacientes individualizados
El equipo de investigación actualmente está utilizando variaciones de este chip para estudiar, todo en contextos específicos de pacientes individualizados: metástasis de cáncer de mama; metástasis del cáncer de próstata; leucemia; efectos de la radiación en los tejidos humanos; los efectos del SARS-CoV-2 en el corazón, los pulmones y la vasculatura; los efectos de la isquemia en el corazón y el cerebro; y la seguridad y eficacia de los medicamentos. El grupo también está desarrollando un chip estandarizado fácil de usar para laboratorios académicos y clínicos, para ayudar a utilizar todo su potencial para avanzar en estudios biológicos y médicos.
Vunjak-Novakovic agregó: «Después de diez años de investigación sobre órganos en chips, todavía nos parece sorprendente poder modelar la fisiología de un paciente conectando tejidos de tamaño milimétrico al músculo cardíaco que late, el hígado que metaboliza, y la piel y el hueso en funcionamiento que crecen a partir de las células del paciente. Estamos entusiasmados con el potencial de este enfoque. Está diseñado exclusivamente para estudios de condiciones sistémicas asociadas con lesiones o enfermedades, y nos permitirá mantener las propiedades biológicas de los humanos diseñados tejidos junto con su comunicación. ¡Un paciente a la vez, desde la inflamación hasta el cáncer!»
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Usando la plataforma de órgano en un chip, los investigadores diseñan una estrategia potencial para tratar las complicaciones graves de COVID-19 Más información: Un chip multiorgánico con nichos de tejido maduro vinculados por flujo vascular, Nature Biomedical Engineering (2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00882-6 Información de la revista: Nature Biomedical Engineering
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia Cita: Plug-and -play organ-on-a-chip se puede personalizar para el paciente (27 de abril de 2022) consultado el 29 de agosto de 2022 en https://medicalxpress.com/news/2022-04-plug-and-play-organ-on- a-chip-customized-patient.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.