La forma guía el crecimiento de los organoides
Organoides creados mediante bioingeniería con una arquitectura tisular similar a la in vivo. Fila superior: imágenes de microscopía electrónica de barrido de una plantilla de polímero utilizada para fabricar sustratos de hidrogel con una arquitectura realista de cripta-vellosidades (vistas superior y lateral, respectivamente). Fila inferior: Reconstrucción 3D de imágenes de inmunofluorescencia que muestran un tejido intestinal con criptas realistas y anatomía de picos y valles de vellosidades del órgano real. Crédito: Mike Nikolaev (EPFL)
El próximo capítulo en la evolución de la bioingeniería estará escrito por la capacidad de desarrollar órganos funcionales en miniatura en el laboratorio. Las aplicaciones van muy lejos, con pruebas seguras de medicamentos, modelado de enfermedades, uso reducido de animales y nuevos conocimientos sobre la biología humana encabezando la lista. Y aunque todavía nos queda un largo camino por recorrer, la evolución de los modelos de órganos cultivados en laboratorio ya ha visto avances notables.
Uno de ellos son los organoides: órganos en miniatura que crecen a partir de células madre dentro de hidrogeles especializados. Con más de una década de antigüedad, el campo de los organoides ha avanzado a un ritmo impresionante, pero aún enfrenta varios desafíos importantes, uno de los cuales es que actualmente es imposible controlar la forma en que las células madre se convierten en un organoide.
Dolores de crecimiento
Pero simplemente agregar células madre en un hidrogel y dejarlas a su suerte, da como resultado una formación bastante aleatoria («estocástica» es el término técnico) de colonias celulares. Es decir, aunque las unidades estructurales importantes, por ejemplo, las criptas intestinales, están presentes en los organoides convencionales, los investigadores no tienen control sobre cuándo, dónde y cuántos de ellos se forman. Ser capaz de controlar estos aspectos es un requisito previo para crear modelos in vitro que se vean y funcionen como órganos reales.
Entonces, ¿podemos controlar el crecimiento y la estructura de los organoides? Esta pregunta subyace en la investigación de Matthias Ltolf y su equipo en la Escuela de Ciencias de la Vida de la EPFL. Su trabajo ha demostrado que los factores externos, como la rigidez del entorno, pueden tener efectos profundos en la biología de los organoides.
Una historia de rigidez
Por ejemplo, en 2016, el laboratorio Ltolf publicó un artículo innovador que muestra que la rigidez del hidrogel puede influir en el desarrollo y crecimiento de los organoides en varias etapas del proceso. En 2020, su equipo publicó el desarrollo exitoso de organoides mini-intestinales cultivados en microchips, lo que abrió nuevas perspectivas para el modelado de enfermedades humanas complejas.
«Aplicar el control sobre la formación de organoides y las estructuras resultantes permitiría no solo para comprender los mecanismos morfogenéticos subyacentes, sino también para construir modelos de órganos en miniatura que se parezcan más a sus contrapartes del mundo real», dice Ltolf. «Dado que las arquitecturas funcionales finales de los órganos reales surgen de la interacción entre la autoorganización celular y el control microambiental extrínseco, debemos considerar ambos».
La geometría del tejido controla el patrón organoide intestinal. Las imágenes de inmunofluorescencia que muestran micropatrones se pueden utilizar para generar organoides intestinales con formas y patrones predecibles y reproducibles de células madre y células diferenciadas. Crédito: Mike Nikolaev (EPFL)
La función sigue a la forma
Siguiendo esa línea de investigación, Nikolce Gjorevski y Mike Nikolaev, dos ex miembros del equipo de Ltolf, han trabajado para encontrar formas de controlar el desarrollo estocástico. de organoides. Este trabajo ahora culmina en un nuevo estudio que presenta métodos para controlar el desarrollo de organoides cada vez más similares a in vivo. El estudio se publica en Science.
El método descrito por el equipo se basa en dos principios. En primer lugar, los investigadores descubrieron que a partir de una forma de organoides inicial reproducible se obtiene un desarrollo reproducible, lo que resolvió el problema de la variabilidad de los organoides.
En segundo lugar, descubrieron que construir organoides con la forma del órgano real en realidad les ayuda adoptar una composición y función celular similar a un órgano. Por ejemplo, si cultivas células madre en forma de cripta intestinal, se organizarán y funcionarán como una cripta. El paradigma de «la forma sigue a la función» es un elemento básico de la biología, pero el estudio encontró que lo contrario también es cierto.
Independientemente, Gjorevski y Nikolaev también tuvieron que idear estrategias para el paradigma real. Usando una tecnología llamada «micropatrones», moldearon internamente los hidrogeles que eventualmente albergarían organoides. El llenado de cavidades de hidrogel diseñadas con precisión con células madre finalmente dio lugar a organoides que se adaptaron a la forma de las cavidades preformadas. El procedimiento no es diferente al de la escultura de metal clásica, en la que el metal fundido se vierte en un molde y se deja solidificar contra una forma predefinida.
Crecimiento organoide exitoso
Los resultados hablar por sí mismos. Al modificar la forma del hidrogel para que coincidiera con la anatomía del intestino real, los investigadores pudieron guiar a las células madre para que crecieran en los tejidos epiteliales con una anatomía realista de criptas y vellosidades con «picos y valles» del órgano real. Esto es particularmente importante, ya que gran parte de la funcionalidad del intestino depende de las diferentes poblaciones de células que residen en estas estructuras.
Por ejemplo, las criptas son el lugar donde se ubican las células de Paneth del intestino. Estas son células secretoras que son importantes para el mantenimiento de las células madre y en la defensa inmune del epitelio intestinal. El enfoque que usó el equipo de Ltolf garantiza que las células de Paneth aparezcan solo en las cavidades de las criptas, mientras que también producen las diversas células del tejido intestinal en todas las ubicaciones anatómicas correctas.
«Nuestro método demostró ser eficiente para guiar a las células madre basada en la organogénesis», dice Ltolf, quien ahora dirige el Instituto de Bioingeniería Traslacional (ITB) en Roche. «Nuestros cultivos de organoides se pueden usar para responder preguntas que los modelos existentes, incluidos los animales, no pueden, y también pueden ayudar a traducir la tecnología de organoides en aplicaciones del mundo real».
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Los organoides de próxima generación crecen y funcionan como tejidos reales Más información: N. Gjorevski et al, Tissue geometric drives deterministic organoid patterning, Science (2022). DOI: 10.1126/science.aaw9021 Información de la revista: Science
Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Cita: La forma guía el crecimiento de los organoides (2022, 7 de enero) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-01-growth-organoids.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.