Desxifrant el potencial dels organoides humans a través de la bioenginyeria

En una revisió publicada a la prestigiosa revista científica Nature Materials, investigadors de l’IBEC debaten al costat d’experts internacionals dels EE. UU. i Europa la forma d’utilitzar la bioenginyeria per tal de guiar millor l’autoorganització i diferenciació de les cèl·lules mare pluripotents humanes (hPSCs) i així poder generar organoides de més qualitat.

Read more…

Mini ronyó generat al laboratori de la Núria Montserrat al IBEC 

Els organoides es conceben com micro-teixits dissenyats al laboratori que s’usen per ajudar-nos a comprendre el desenvolupament i les malalties dels humans. No obstant això, aquests models no tenen característiques importants que sí que tenen els òrgans originals, com la seva maduresa o esperança de la vida. En aquesta revisió, els autors discuteixen la manera com la bioenginyeria pot proporcionar informació sobre les propietats biofísiques del teixit original i així reproduir-les en els organoides. Els autors recalquen la importància que especialistes en ètica, enginyers i biòlegs experts en cèl·lules mare treballin conjuntament. Segons afirmen, aquesta col·laboració és clau per avançar en el camp dels organoides derivats de cèl·lules mare pluripotents humanes (hPSCs). 

Els organoides són agregats de cèl·lules cultivades que constitueixen teixits d’una grandària reduïda (de micròmetres a centímetres), dotats de les característiques estructurals i funcionals dels òrgans humans. Durant les últimes dues dècades, els avenços en les tècniques de creixement de hPSCs han permès el desenvolupament de procediments per generar estructures similars a petits òrgans a demanda. Fins ara, els científics han generat organoides propis del cervell, ronyó, intestí, pulmó, retina, oïda interna, fetge, etc., a partir de cèl·lules mare. Aquestes plataformes de cultiu cel·lular han permès l’estudi de programes morfogenètics inicials que impulsen l’especificació i la diferenciació de teixits, i han donat lloc a una nova classe de cultius tridimensionals segurs i assequibles per a aplicacions a la recerca biomèdica. No obstant això, encara hi ha limitacions importants, com ara la seva maduresa i vida limitada, que impedeixen aplicar els organoides en medicina regenerativa. 

En aquest punt, les investigadores de l’IBEC Nuria Montserrat i Elena Garreta han estudiat el passat i el present dels sistemes de cultiu de hPSCs i l’impacte d’aquests avenços en la recerca centrada en els organoides, en un esforç per destacar les estratègies de bioenginyeria assequibles per superar les actuals limitacions. En aquest article de revisió publicat a Nature Materials, i escrit en col·laboració amb altres experts internacionals, inclosos Xavier Trepat de l’IBEC, Roger D. Kamm i Ron Weiss de MIT als EE. UU., Susana M Chuva de Sousa Lopes de LUMC dels països Baixos, Madeline A. Lancaster de MRC al Regne Unit i Insoo Hyun de la Universitat de Casi West Research University als EE. UU., les investigadores destaquen el paper crucial que juguen la bioenginyeria i l’ètica en l’impuls del desenvolupament futur de aquests sistemes. 

La convergència entre organoides i bioenginyeria té el potencial de revolucionar la biomedicina, ja que permetrà als investigadors estudiar patologies amb una precisió sense precedents. 

Els reptes des de fa un segle 

a abans dels anys 1900, els biòlegs havien començat a aïllar i cultivar teixits i cèl·lules de diversos organismes, com esponges, pollastres o ratolins. Més endavant, es va aconseguir l’aïllament de cèl·lules mare embrionàries humanes i la reprogramació de cèl·lules somàtiques en cèl·lules mare pluripotents induïdes. Això va permetre obtenir cèl·lules amb propietats similars a les que trobem durant les etapes de desenvolupament. Durant l’última dècada, la possibilitat de generar versions micromètriques d’òrgans humans ha permès la creació de models que reprodueixen les característiques fonamentals dels òrgans originals. Entre elles, la forma en què les cèl·lules s’organitzen espacialment i la seva resposta funcional davant de situacions adverses com les que es donen després d’un trasplantament in vivo. 

Fins al moment, els organoides derivats de hPSCs han conservat les propietats inherents d’aquestes fonts cel·lulars úniques, inclosa la seva capacitat per autoorganitzar-se o diferenciar-se en qualsevol tipus de cèl·lula del nostre cos en resposta a senyals externs. No obstant això, el poc control sobre els estímuls externs rebuts, provoca respostes no desitjades com ara la manca de maduresa o una curta vida útil. En aquest sentit, els experts descriuen diversos enfocaments orientats a proporcionar un component vascular capaç de desenvolupar organoides a partir de cèl·lules mare i a dissenyar xarxes vasculars que permetin la generació de organoides més grans i viables, utilitzant solucions com sistemes de microfluids, sistemes de cocultiu o bioimpresión 3D. 

Creant l’entorn adequat 

Una altra limitació dels organoides és la naturalesa aleatòria i descontrolada del seu creixement. Fins i tot dins de les mateixes línies de cèl·lules mare, s’observa poca homogeneïtat, el que significa que actualment no són el reflex més fidel dels sistemes originals en què es basen. Els microambients dissenyats amb bioingenyeria podrien proporcionar als organoides les instruccions que necessiten per créixer d’una manera més organitzada i consistent; un exemple el trobaríem en els sistemes dinàmics d’hidrogel activats per llum. 

Cal no oblidar la importància de recrear les interaccions teixit-teixit i les condicions fisiològiques que experimenten els òrgans originals. En aquest sentit, s’han utilitzat dispositius de microingenyeria per crear diversos tipus de “òrgan en un xip” que imiten aspectes clau de la fisiologia dels òrgans. Una tecnologia que ja ha estat usada per a desenvolupar models organoides amb certes malalties, com la diabetis tipus 2 i l’esclerosi lateral amiotròfica (ELA). 

Tot i que la creació dels microambients ideals per a la producció, el creixement i la funcionalitat dels organoides queda encara una mica lluny, la tecnologia dels organoides ja està revolucionant la biomedicina en àrees com la biologia del desenvolupament, la generació de fàrmacs, el modelatge de malalties i la medicina personalitzada. No hi ha cap dubte que les estratègies de bioenginyeria són una poderosa eina per aconseguir la creació d’aquests microambients. No obstant això, segons els autors, tal revolució requerirà una estreta col·laboració entre biòlegs experts en cèl·lules mare, bioenginyers i especialistes en ètica. Està en les mans de les universitats, els instituts i les administracions assignar recursos per garantir que així sigui. 


Article de referència:

Elena Garreta, Roger D. Kamm, Susana M Chuva de Sousa LopesMadeline A. Lancaster, Ron Weiss, Xavier Trepat, Insoo Hyun and Nuria Montserrat (2020) “Rethinking organoid technology through bioengineering.” Nature Materials, 2020. 

 

Sobre l’IBEC
L’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) és un centre CERCA, reconegut en dues ocasions com a centre d’Excel·lència Severo Ochoa i membre de l’Institut de Ciència i Tecnologia de Barcelona (BIST). IBEC duu a terme recerca interdisciplinària d’excel·lència en la frontera de l’enginyeria i les ciències de la vida per tal de generar nou coneixement, integrant camps com la nanomedicina, la biofísica, la biotecnologia l’enginyeria de teixits i les aplicacions de tecnologia de la informació en l’àmbit de la salut. L’IBEC va ser creat el 2005 per la Generalitat de Catalunya, la Universitat de Barcelona (UB) i la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).