Órganos en chips
Desde corazones que laten hasta pulmones que respiran, los órganos en chips son algunas de las herramientas más novedosas para la investigación en biología humana. Aunque estos dispositivos pueden parecerse más a los componentes de una computadora que a las partes del cuerpo humano, los científicos ahora han creado modelos de trabajo para toda una gama de órganos, incluidos el hígado, los pulmones e incluso el sistema reproductivo femenino.
Los investigadores esperan usar estos dispositivos para modelar enfermedades y facilitar el desarrollo de fármacos. «Creo que para la mayoría de las personas, el objetivo es reemplazar las pruebas con animales y llevar a cabo una medicina personalizada de una manera más efectiva». Donald Ingber, el director fundador del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en la Universidad de Harvard, le dice a The Scientist.
Pequeños pulmones
Un chip de alvéolo pulmonar con canales llenos de aire (amarillo) y canales llenos de sangre (azul), ambos revestidos con células humanas para imitar la función a nivel de órgano. INSTITUTO WYSS EN LA UNIVERSIDAD DE HARVARD
En el Instituto Wyss, los científicos han desarrollado alrededor de 15 órganos humanos diferentes en…
Para modelar más de cerca la biología humana, los investigadores también imitaron el movimiento de la respiración mediante aplicando vacío para deformar los tubos huecos que recubren los canales principales.
La novedad que incorporamos [en nuestros chips] se basó en mi trabajo que demostró que las fuerzas mecánicas son tan importantes como los químicos y los genes para el desarrollo de tejidos , mantenimiento y función, dice Ingber. Este chip de alvéolo de un pulmón proporcionó una prueba de principio para modelar la fisiología y la enfermedad a nivel de órgano normal, descubriendo nuevos conocimientos sobre la importancia de las fuerzas físicas, encontrando nuevos objetivos terapéuticos e incluso un nuevo fármaco.
Ingber y sus colegas también han incorporado fuerzas mecánicas en sus otros chips de órganos, por ejemplo, movimientos similares a la peristalsis en el chip intestinal y pulsaciones de los vasos sanguíneos en el chip de riñón.
Una imagen de primer plano del epitelio bronquiolar humano en un chip de vía aérea. Los cilios transportadores de moco (rosa) sobresalen de las células epiteliales (verde azulado) hacia el lumen lleno de aire. INSTITUTO WYSS DE LA UNIVERSIDAD DE HARVARD
Uno de los últimos inventos del instituto es el airway-on-a-chip , que es similar al chip de pulmón inicial, excepto que en lugar de células alveolares, el dispositivo está revestido con células epiteliales bronquiales humanas. El equipo ha utilizado este chip para modelar la enfermedad pulmonar obstructiva crónica y el asma. Incluso han utilizado este dispositivo para estudiar los efectos del tabaquismo en el epitelio bronquial conectándolo a una máquina que quema cigarrillos e inhala y exhala humo para imitar a un fumador humano.
Construyendo barreras
Ilustración del chip de la Unidad Neurovascular (NVU), un modelo de la barrera hematoencefálica humana. Una membrana porosa separa una cámara que modela el cerebro y otra que representa la vasculatura circundante.DOMINIC DOYLE, VANDERBILT UNIVERSITY
Un grupo liderado por John Wikswo, ingeniero biomédico de la Universidad de Vanderbilt, ha creado un chip para estudiar el cerebro y la barrera hematoencefálica.
Decidimos centrarnos en la unidad neurovascular humana (NVU) debido a la importancia de las interacciones entre las neuronas corticales y la barrera hematoencefálica (BBB) que los protege, de ahí el término unidad neurovascular, escribe Wikswo en un correo electrónico a The Scientist.
El chip NVU consiste en una pequeña cavidad dividida por una membrana porosa separando una cámara, que representa el cerebro, de otra cámara, que representa la vasculatura circundante. Contiene neuronas corticales, células endoteliales microvasculares, astrocitos y pericitos de humanos. Según Wikswo, esta estructura nos permite estudiar la respuesta metabolómica de las neuronas y otras células a los fármacos y las señales inflamatorias que se envían a través de la BBB.
El equipo ha utilizado este chip NVU en una variedad de aplicaciones. , como investigar estados de enfermedad y estudiar los efectos de la inflamación. Actualmente, también están iniciando un programa para usar esta tecnología para probar medicamentos para la industria farmacéutica.
Beating Hearts
Imagen de microscopía de tejido de corazón de rata modificado en un chip con miocitos cardíacos (rojo), núcleos (azul) y actina (verde). MEGAN McCAIN Y NETHIKA ARIYASINGHE, UNIVERSIDAD DEL SUR DE CALIFORNIA
Megan McCain, profesora de ingeniería biomédica en la Universidad del Sur de California, trabaja con corazones en chips: pequeños dispositivos del tamaño de un borrador que Casa en vivo, latiendo las células del corazón. Para crear estos dispositivos, los investigadores primero toman células de la piel de los pacientes y las reprograman en células madre que luego se convierten en miocitos cardíacos. Luego colocan estas células en chips que contienen superficies de bioingeniería que recrean el entorno natural del corazón. La métrica clave en la que estaban interesados es la generación de fuerza, dice McCain.
En 2014, McCain, que entonces estaba en el Instituto Wyss, usó los chips cardíacos para modelar el síndrome de Barth, un trastorno hereditario raro. asociado con músculos cardíacos debilitados. Actualmente, su equipo está enfocado en usar estos dispositivos para estudiar otras enfermedades. El modelado de enfermedades es donde creo que tendrá el mayor impacto, especialmente las enfermedades hereditarias, dice McCain a The Scientist. Incluso si creamos un ratón knockout, no parece que captemos todos los aspectos de la enfermedad en humanos.
Ojos emuladores
Un ojo en un chip , con canales de microfluidos (amarillo) que llevan nutrientes a las células ubicadas en el andamio circular en el centro. El equipo también adjuntó un párpado microdiseñado que imita el parpadeo de este chip. LABORATORIO DE DAN HUH EN LA UNIVERSIDAD DE PENNSYLVANIA
Dan Huh, profesor de bioingeniería en la Universidad de Pennsylvania que fue postdoctorado en el laboratorio de Ingbers, y sus colegas han creado un ojo en un chip con un párpado que parpadea.
Este chip, que tiene aproximadamente el tamaño y la forma de una lente de contacto, se aproxima a la superficie ocular del ojo. Contiene células humanas de la córnea y la conjuntiva (la capa mucosa que cubre el ojo). El equipo también diseñó un párpado, que se adhiere a la superficie y permite que el ojo parpadee, manteniendo lubricada la superficie del chip.
Descubrimos que los movimientos de parpadeo son muy importantes para mantener el tejido de la superficie ocular, eh dice. Y estaban usando esta plataforma para imitar ciertas enfermedades oculares crónicas, como la enfermedad del ojo seco. Según Huh, su laboratorio también planea usar este chip para modelar otras afecciones oculares, para pruebas y desarrollo de fármacos, y para probar y optimizar lentes de contacto. El equipo también está desarrollando actualmente una retina en un chip.
El ojo es una de las principales áreas de enfoque de mi laboratorio, dice Huh. Su grupo también está trabajando en chips para una variedad de otros órganos, incluidos los pulmones y la placenta.
Imitando la menstruación</p
EVATAR, un modelo de bolsillo del aparato reproductor femenino. Un fluido parecido a la sangre (azul) fluye a través de pozos que contienen mini órganos. UNIVERSIDAD DEL NOROESTE
Muchos grupos tienen como objetivo unir diferentes chips de órganos para recrear sistemas de órganos o incluso el cuerpo humano completo. Teresa Woodruff, profesora de obstetricia y ginecología en la Universidad Northwestern, y sus colegas han vinculado cinco órganos en miniatura en un chip del tamaño de una mano para modelar el tracto reproductivo femenino.
El chip, denominado EVATAR, es una serie de tubos y bombas que transportan un líquido azul similar a la sangre a través de células que contienen cinco mini órganos: una trompa de Falopio, un útero, una vagina, un ovario y un hígado. Lo que [este] sistema nos permite hacer es mover los medios de manera que traigan nutrientes frescos y eliminen los desechos, dice Woodruff. Eso es lo que sucede en el cuerpo. Al agregar hormonas al líquido circulante, el equipo pudo imitar el ciclo menstrual de 28 días.
Los investigadores esperan usar EVATAR para dilucidar la fisiología y las enfermedades reproductivas, así como en las pruebas y el desarrollo de fármacos. También están trabajando en una versión masculina del chip, ADATAR.
Ver Mini sistema reproductor femenino en un chip
Interconectado
Una plataforma multiórgano conectada al software asociado. Cada pozo contiene un sistema fisiológico en miniatura, como el pulmón, el intestino o el sistema nervioso central. El fluido que fluye a través de los canales imita el gasto cardíaco fisiológico.FISIOOMIMÉTICA, MIT
Linda Griffith, profesora de ingeniería biológica en el MIT, y sus colegas son uno de los dos grupos que trabajan en proyectos financiados por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa del gobierno de EE. UU. (DARPA) para crear cuerpos en chips, cuyo objetivo es conectar diez sistemas de mini órganos diferentes en un circuito integrado. El otro grupo está en el Instituto Wyss.
Representación artística del enfoque humano en un chip para la biología in vitro. Los dispositivos creados con bioingeniería nutren muchos cultivos de tejidos en 3D que representan la unidad funcional más pequeña de cada órgano de interés. durante un mes.
La conexión de varios chips de órganos permite a los investigadores interrogar las interacciones de los órganos. En uno de sus últimos experimentos, Griffith y su equipo investigaron los efectos de la inflamación en un sistema en el que se vincularon chips de intestino humano y chips de hígado. Este estudio reveló, entre otras cosas, cómo la interacción entre los dos órganos influye en la expresión génica y las funciones específicas de los tejidos.
Creo que ahora mismo el campo se encuentra en la etapa inicial de pensar en una fisiología compleja que implica múltiples tipos de células que interactúan dentro de un órgano y entre órganos, particularmente cuando se trata de sistemas inmunológicos que interactúan con células de tejido, dice Griffith. Una gran parte de nuestro programa se centra en la inmunología.
Brain Chips in Space
Emula Organ-Chips, como este Brain-Chip, contiene diminutos canales huecos revestidos con decenas de miles de células y tejidos humanos vivos, y cada uno tiene aproximadamente el tamaño de un AA batería. CORTESÍA DE EMULATE, INC.
Emulate, una empresa nueva, se formó para comercializar la tecnología de órgano en chip desarrollada en el Instituto Wyss, incluidos Lung-Chips, Liver-Chips e Intestine-Chips. Si bien estos chips poseen diferentes tipos de celdas y funciones, su diseño estandarizado los hace parecer idénticos desde el exterior. La compañía anunció recientemente sus planes para enviar sus Brain-Chips a la Estación Espacial Internacional, donde se utilizarán para estudiar, entre otras cosas, la barrera hematoencefálica y cómo los factores estresantes y la inflamación afectan la función cerebral.
El Brain-Chip de la empresa contiene tanto neuronas como células endoteliales vasculares, y está hecho para modelar tanto la fisiología del cerebro como la barrera hematoencefálica. No estamos tratando de recrear todo el cerebro, sino simplemente la unidad funcional más pequeña del órgano, dice Geraldine Hamilton, presidenta y directora científica de Emulate. En este caso, por ejemplo, [tomamos] la barrera hematoencefálica, que está compuesta por células endoteliales microvasculares, neuronas, astrocitos y pericitos. Todos interactúan de una manera muy específica y deben organizarse de una manera muy específica. nosotros, en una escala muy pequeña, recreamos dentro de los chips.
Ver Organ-on-a-Chip obtiene un gran impulso farmacéutico
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