Los intestinos en un chip ( intestino en un chip , miniintestino ) son modelos tridimensionales de bioingeniería microfluídica del órgano real, que imitan mejor las características fisiológicas que el cultivo tridimensional convencional de organoides intestinales . [1] Se han desarrollado y perfeccionado diversos sistemas de modelos de intestino en un chip, todos con sus fortalezas y debilidades individuales y, en conjunto, muy prometedores para el objetivo final de establecer estos sistemas como plataformas confiables de alto rendimiento para pruebas de fármacos y medicina personalizada . El intestino es un sistema orgánico altamente complejo que realiza un conjunto diverso de tareas vitales, desde la digestión y absorción de nutrientes, la secreción de hormonas y los procesos inmunológicos hasta la actividad neuronal, [2] lo que hace que sea particularmente difícil modelarlo in vitro .
Los modelos intestinales convencionales, como el cultivo celular 2D tradicional de líneas celulares inmortalizadas (por ejemplo, CaCo2 o HT29 ), los cultivos transwell, las cámaras de Ussing y los sacos intestinales evertidos, se han utilizado ampliamente para comprender mejor los procesos (pato)fisiológicos en el intestino. Sin embargo, muchas funciones intestinales son difíciles de recapitular y estudiar utilizando modelos tan simplistas. Por lo tanto, el valor experimental y traslacional de estos sistemas es limitado. [3]
En 2009, el desarrollo de organoides intestinales [4] marcó un hito en el modelado in vitro del tejido intestinal. Los organoides intestinales imitan el nicho de células madre in vivo, ya que las células madre intestinales dan lugar espontáneamente a un mini-tejido quístico cerrado con brotes orientados hacia afuera que representan la arquitectura característica de cripta-vellosidad del epitelio intestinal . Los organoides intestinales pueden contener todos los diferentes tipos de células del epitelio intestinal, por ejemplo, enterocitos , células caliciformes , células de Paneth y células enteroendocrinas . [5] Junto con la representación precisa de la arquitectura del tejido y la composición del tipo de célula, se ha demostrado que los organoides también exhiben similitudes funcionales clave con el tejido nativo. [6] Además, su estabilidad a largo plazo en cultivo, la derivación de origen sano y enfermo y las posibilidades de manipulación genética hacen de los organoides intestinales un modelo útil aunque simplista para un uso generalizado como plataforma para estudios funcionales y modelado de enfermedades. [7]
Sin embargo, varias limitaciones restringen su utilidad como modelo intestinal. En primer lugar, la estructura quística cerrada de los organoides hace que su superficie interna (apical) sea inaccesible y el tratamiento por separado de los lados apical y basolateral (y, por lo tanto, los estudios de transporte) sea muy engorroso. Además, esta estructura quística cerrada implica que los organoides intestinales acumulan células muertas desprendidas en su luz, lo que ejerce una presión espacial sobre los organoides, lo que impide el cultivo inalterado de organoides durante períodos de tiempo más largos sin interrupciones por rotura mecánica y pasajes. Además, los cultivos de organoides intestinales sufren de tamaños, formas, morfologías y localizaciones muy variables entre organoides individuales en su entorno de cultivo 3D. [8]
Aunque los organoides suelen denominarse órganos en miniatura, carecen de características vitales para imitar la complejidad a nivel de órgano. Por este motivo, se han desarrollado dispositivos biofabricados que superan las limitaciones de los organoides. En particular, los dispositivos microfluídicos tienen un gran potencial como plataformas para modelos in vitro de órganos, ya que permiten la perfusión imitando la función de la circulación sanguínea en los tejidos. [1] [9] Además del flujo fluídico, se incorporan otros parámetros de cultivo en los dispositivos de intestino en un chip, incluidas señales arquitectónicas, estimulación mecánica, gradientes de oxígeno y cocultivos con otras poblaciones celulares y la microbiota, para mostrar con mayor precisión el comportamiento fisiológico del órgano real. [ cita requerida ]
A diferencia del cultivo celular estático tradicional, en los dispositivos microfluídicos se pueden crear flujos de fluidos que imitan de cerca los patrones fisiológicos de flujo de fluidos. El flujo de fluidos introduce una tensión de corte fisiológica en las superficies celulares, introduce un suministro apical de nutrientes y factores de crecimiento y permite el establecimiento de gradientes químicos de, por ejemplo, factores de crecimiento, que son vitales para el desarrollo adecuado de los órganos. En general, los dispositivos microfluídicos aumentan el control sobre el microambiente específico del órgano, lo que permite modelos más precisos. [7]
Se han utilizado diferentes tecnologías para introducir flujos microfluídicos en dispositivos de intestino en un chip, incluidas bombas peristálticas [10] , bombas de jeringa [11] , generadores de presión [12] y sistemas sin bomba [13] impulsados por presión hidrostática y gravedad. Un ejemplo de un dispositivo microfluídico de intestino en un chip impulsado por gravedad es la plataforma OrganoPlate de Mimetas , que ha sido utilizada como modelo de enfermedad para la enfermedad inflamatoria intestinal por Beaurivage et al. [14]
Desde las primeras etapas del desarrollo embrionario hasta la vida postnatal, el intestino está constantemente expuesto a una amplia gama de fuerzas mecánicas. La peristalsis , la propulsión involuntaria y cíclica del contenido intestinal, es una parte esencial del proceso digestivo. Facilita la digestión de los alimentos, la absorción de nutrientes y el vaciado intestinal a escala macro y aplica tensión de corte y presión radial sobre el epitelio intestinal a escala microscópica. [15] En particular, se ha demostrado que los factores mecánicos influyen en el desarrollo intestinal y la homeostasis, como las asas intestinales [16] , la formación de vellosidades [17] y la localización de las criptas. [18] Además, la ausencia crónica de estímulos mecánicos en el intestino humano se ha asociado con la morbilidad intestinal. [1]
Un ejemplo destacado en el que se utilizan en combinación tanto la estimulación mecánica en forma de peristalsis como el flujo microfluídico es el sistema Emulate de intestino en un chip. El sistema consta de un microcanal central de cultivo celular de dos vías, que está separado por una membrana de PDMS recubierta de matriz extracelular porosa que permite el cultivo por separado de dos poblaciones celulares diferentes en el microcanal superior e inferior. La cámara central está encerrada por dos cámaras de vacío que funcionan en paralelo. La aplicación de vacío permite la expansión unidireccional cíclica de la membrana porosa que separa los canales para imitar el movimiento peristáltico [19].
Al igual que en el cultivo tradicional de organoides, la introducción de una tercera dimensión de cultivo es fundamental para una mejor representación de la microanatomía de un tejido. Dado que los cultivos celulares en 3D implementan señales bioquímicas y mecánicas fisiológicamente más relevantes, los cultivos en 3D generalmente logran una mejor viabilidad celular y un transcriptoma y proteoma más fisiológicos . Además, los procesos de homeostasis tisular como la proliferación , la diferenciación y la muerte celular se representan de una manera más fisiológica. [20] [21] El soporte 3D de los cultivos celulares se basa comúnmente en hidrogeles, que imitan la matriz extracelular nativa . Las células pueden incrustarse en hidrogeles o cultivarse en una superficie de hidrogel microdiseñada predefinida. [1] El hidrogel más comúnmente utilizado para sistemas intestinales en 3D es Matrigel , [22] un extracto de membrana basal solubilizada de sarcoma de ratón . Sin embargo, Matrigel tiene desventajas significativas como un origen xenogénico , variabilidad de baño a lote, alto costo y una composición mal definida. Como estos factores dificultan la traducción clínica , cada vez se utilizan más otros hidrogeles en los modelos intestinales 3D, incluidos los hidrogeles sintéticos basados en fibrina , colágeno , ácido hialurónico y PEG . [23]
En ingeniería de tejidos , las técnicas de microfabricación son de importancia crítica, especialmente en el modelado del microambiente tisular. Además de diseñar y fabricar el dispositivo microfluídico en sí, las técnicas de microfabricación también se utilizan para crear microestructuras 3D que permiten la creación de patrones de superficies de cultivo celular que se asemejan mucho a la topografía del tejido nativo, es decir, el eje cripta-vellosidad. [1]
Un ejemplo destacado de un sistema de intestino en un chip que se basa en señales arquitectónicas son los miniintestinos homeostáticos de Nikolaev et al. [24] Utilizan dispositivos de intestino en un chip microfabricados con una cámara de hidrogel. El hidrogel de mezcla de colágeno y Matrigel se elimina con láser para generar un microcanal para un lumen intestinal tubular con estructuras de cripta. El cultivo de células madre intestinales en este dispositivo da como resultado su autoorganización en un epitelio funcional con la disposición espacial fisiológica de los dominios de cripta y vellosidades. Estos miniintestinos permiten un cultivo prolongado a largo plazo y dan lugar a tipos de células intestinales raros que no se encuentran comúnmente en otros modelos 3D. Otro ejemplo de morfogénesis impulsada por la arquitectura de los modelos de intestino en un chip son las técnicas de modelado de superficies publicadas por Gjorevski et al., quienes desarrollaron dispositivos microfabricados para modelar superficies de hidrogel con el fin de dirigir de manera reproducible la geometría, el tamaño y las distribuciones celulares de los organoides intestinales. [25]
Estos ejemplos muestran que los sistemas de intestino en un chip con morfogénesis guiada extrínsecamente permiten el control espacial y temporal de los gradientes de señalización y pueden proporcionar una plataforma para estudiar ampliamente la morfogénesis intestinal, el mantenimiento de células madre, la dinámica de las criptas y la regeneración epitelial. [1]
El intestino sano tiene una amplia gama de funciones diferentes, que requieren un amplio conjunto de diferentes tipos de células para llevarlas a cabo. La función intestinal primaria, la absorción de nutrientes, requiere un estrecho contacto entre el epitelio intestinal y las células endoteliales de la sangre y la linfa. Además, la microbiota intestinal desempeña un papel fundamental en la digestión de los alimentos, lo que hace indispensable una defensa inmunitaria fiable. Además, las células musculares y nerviosas controlan el peristaltismo y la saciedad. Por último, las células mesenquimales son componentes esenciales del nicho de células madre intestinales, ya que proporcionan soporte físico y secretan factores de crecimiento. Por tanto, la incorporación de diferentes tipos de células en sistemas de intestino en un chip es vital para modelar adecuadamente los diferentes aspectos de las funciones intestinales. [1]
Se han dado los primeros pasos en el cocultivo del epitelio intestinal y la microbiota en sistemas de intestino en un chip. Algunos ejemplos son el establecimiento de un modelo in vitro para la infección intestinal por Shigella flexneri utilizando el sistema de intestino en un chip Emulate [26] o la recreación de una población compleja de microbiota derivada de heces con especies tanto aeróbicas como anaeróbicas. [27] De manera similar, los investigadores han intentado recrear un epitelio intestinal inmunocompetente en sistemas de intestino en un chip, mediante el cocultivo del epitelio intestinal con células mononucleares de sangre periférica , [28] monocitos , [29] macrófagos [30] o neutrófilos . [31] Además, la interfaz epitelio- endotelial se ha modelado en varios sistemas diferentes mediante el cultivo de monocapas endoteliales y el epitelio intestinal en lados opuestos de una membrana porosa. [19] [27] [29] [32]
Además del cocultivo de células intestinales con otros tipos de células, también la población celular del epitelio intestinal es de gran importancia. Si bien algunos enfoques bastante simplistas utilizan líneas celulares inmortalizadas como fuente celular para un epitelio intestinal, [14] existe un cambio hacia el uso de células madre intestinales derivadas de organoides, lo que permite la derivación de epitelios intestinales con una composición de tipo celular más fisiológica. [1] [24] [32]
{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: otros ( enlace )