Los investigadores crean un sofisticado pulmón en chip
Inmunotinción de cultivos celulares de pacientes en un pulmón en chip de segunda generación. Crédito: Pauline Zamprogno, Centro ARTORG de Investigación en Ingeniería Biológica
El pulmón es un órgano complejo cuya función principal es el intercambio de gases. Es el órgano más grande del cuerpo humano y juega un papel clave en la oxigenación de todos los órganos. Debido a su estructura, composición celular y microambiente dinámico, es difícil de imitar in vitro.
Un laboratorio especializado del Centro ARTORG de Investigación en Ingeniería Biomédica de la Universidad de Berna, dirigido por Olivier Guenat, ha desarrollado una nueva generación de modelos in vitro llamados órganos en chip durante más de 10 años, centrándose en modelar el pulmón y sus enfermedades. Después de un primer sistema exitoso de pulmón en chip que muestra las características esenciales del pulmón, el laboratorio Organs-on-Chip (OOC) Technologies ha desarrollado ahora un pulmón en chip de próxima generación puramente biológico en colaboración con el Centro Helmholtz para Infecciones. Investigación en Alemania y los Departamentos de Cirugía Torácica y Neumología de Inselspital.
Una barrera de sangre y aire de tamaño natural totalmente biodegradable
Pauline Zamprogno, quien desarrolló el nuevo modelo para su Ph. D. tesis de la OOC, resume sus características: «El nuevo lung-on-chip reproduce una matriz de alvéolos con dimensiones similares a las in vivo. Se basa en una membrana delgada y estirable, hecha con moléculas que se encuentran naturalmente en el pulmón: colágeno y elastina La membrana es estable, se puede cultivar en ambos lados durante semanas, es biodegradable y sus propiedades elásticas permiten imitar los movimientos respiratorios al estirar mecánicamente las células».
A diferencia de la primera generación, que también se construyó por el equipo de Olivier Guenat, el sistema desarrollado reproduce aspectos clave de la matriz extracelular pulmonar (MEC): su composición (soporte celular hecho de proteínas de la MEC), su estructura (matriz de alvéolos con dimensiones similares a las que se encuentran in vivo + estructura de fibra ) y sus propiedades (biodegradabilidad, un aspecto clave para investigar la remodelación de la barrera durante enfermedades pulmonares como la FPI o la EPOC). Además, el proceso de fabricación es simple y menos engorroso que el de una membrana porosa estirable de polidimetilsiloxano del pulmón en chip de primera generación.
Aplicaciones clínicas potenciales amplias
Células para ser cultivadas en el nuevo chip para investigación se obtienen actualmente de pacientes con cáncer que se someten a resecciones pulmonares en el Departamento de Cirugía Torácica de Inselspital. El jefe de departamento, Ralph Schmid, ve una doble ventaja en el sistema: «El pulmón en chip de segunda generación se puede sembrar con células alveolares pulmonares sanas o enfermas. Esto proporciona a los médicos una mejor comprensión de la fisiología del pulmón y una herramienta predictiva para detección de fármacos y potencialmente también para la medicina de precisión, identificando la terapia específica con el mejor potencial para ayudar a un paciente en particular».
«Las aplicaciones para tales membranas son amplias, desde investigaciones científicas básicas sobre funcionalidades y patologías pulmonares, a identificar nuevas vías y a un descubrimiento más eficiente de posibles nuevas terapias», dice Thomas Geiser, Jefe del Departamento de Neumología en Inselspital y Director de Enseñanza e Investigación de Insel Gruppe.
Potente alternativa a modelos animales en investigación
Como ventaja adicional, el nuevo pulmón en chip puede reducir la necesidad de investigación neumológica basada en modelos animales. «Muchos candidatos a fármacos prometedores probados con éxito en modelos preclínicos en roedores han fallado cuando se probaron en humanos debido a las diferencias entre las especies y en la expresión de una enfermedad pulmonar», explica Olivier Guenat. «Es por eso que, a largo plazo, nuestro objetivo es reducir las pruebas con animales y proporcionar sistemas más relevantes para el paciente para la detección de drogas con la posibilidad de adaptar los modelos a pacientes específicos (mediante la siembra de órganos en chip con sus propias células)».
El nuevo pulmón en chip biológico será desarrollado por Pauline Zamprogno y sus colegas del grupo OOC Technologies para imitar un pulmón con fibrosis pulmonar idiopática (FPI), una enfermedad crónica del pulmón que provoca cicatrización progresiva del tejido pulmonar en el marco de un proyecto de investigación financiado por el Swiss 3R Competence Center (3RCC). «Mi nuevo proyecto consiste en el desarrollo de un modelo IPF-on-chip basado en la membrana biológica. Hasta ahora, hemos desarrollado una barrera aire-sangre saludable. Ahora es el momento de usarla para investigar una cuestión biológica real», dice Zamprogno.
Grupo de investigación Organs-On-Chip Technologies del Centro ARTORG
Este grupo especializado del Centro ARTORG de Investigación en Ingeniería Biomédica desarrolla órganos en chip, centrándose en el pulmón y sus enfermedades, en colaboración con los Departamentos de Medicina Pulmonar y Cirugía Torácica del Inselspital. El grupo combina la ingeniería, en particular la microfluídica y la microfabricación, la biología celular y los métodos de ingeniería de tejidos, las ciencias de los materiales y la medicina.
Su primer desarrollo de un pulmón en chip de respiración se desarrolla aún más en colaboración con la start- up AlevoliX, con el objetivo de revolucionar la investigación preclínica. Recientemente, el grupo ha desarrollado un pulmón en chip de segunda generación completamente biológico que se centra en recrear la barrera aire-sangre del pulmón. Una segunda dirección de investigación tiene como objetivo desarrollar una microvasculatura pulmonar funcional. Aquí, las células endoteliales pulmonares se siembran en un entorno de microingeniería, donde se autoensamblan para construir una red de microvasos perfundibles y contráctiles de solo unas pocas decenas de micrómetros de diámetro.
Junto a las aplicaciones farmacéuticas, Se considera que los órganos en chip tienen el potencial de ser utilizados en medicina de precisión para probar las propias células del paciente con el fin de adaptar la mejor terapia. Además, tales sistemas tienen el potencial significativo de reducir las pruebas con animales en la investigación médica y de ciencias de la vida. El grupo OOC opera la Instalación de Órganos en Chip, proporcionando a los científicos de la Universidad de Berna, el Hospital Universitario de Berna y más allá una infraestructura y equipo para producir dispositivos microfluídicos y probar órganos en chips.
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Lung-on-a-chip simula la fibrosis pulmonar Más información: Pauline Zamprogno et al, Second-generation lung-on-a-chip with a array of stretchable alveoli hecho con una membrana biológica, Communications Biology (2021). DOI: 10.1038/s42003-021-01695-0 Información de la revista: Communications Biology
Proporcionado por la Universidad de Berna Cita: Los investigadores crean un sofisticado pulmón en chip ( 2021, 8 de febrero) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-02-sophisticated-lung-on-chip.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.