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¿Qué sucede cuando la microtecnología y la biología se unen? Obtenemos un órgano en un chip (OOC).

Organ-on-a-chip es una tecnología única e innovadora que tiene como objetivo recrear la estructura y función de tejidos y órganos en un dispositivo o chip en miniatura. El tejido u órgano en sí puede diseñarse o adquirirse de forma natural y se cultiva dentro de un chip de microfluidos.

Esta tecnología es muy prometedora para revolucionar la investigación biomédica y proporcionar una alternativa a las pruebas tradicionales con animales. Sin embargo, la investigación sobre esta tecnología aún está en sus inicios.

La experimentación con animales se ha utilizado durante mucho tiempo en la investigación científica, así como en las pruebas de cosméticos y el desarrollo de fármacos. Sin embargo, plantea importantes preocupaciones éticas debido al sufrimiento y daño causado a los animales.

Instituto Wynn/Universidad de Harvard

Además, dado que la fisiología humana y animal no es idéntica, existen limitaciones asociadas con el uso de modelos animales para humanos. Esta discrepancia puede generar problemas al predecir la eficacia y seguridad de los productos.

Así que ahora las verdaderas preguntas son: ¿es la tecnología OOC un mejor sustituto de las pruebas con animales y puede acelerar el desarrollo de fármacos?

Aquí, exploramos las posibilidades de utilizar la tecnología OOC con fines de prueba, hacia dónde se dirige el desarrollo tecnológico en el campo y las limitaciones que frenan el progreso.

La tecnología OOC integra principios de microtecnología, biología y ingeniería para crear modelos de tejido funcionales. Estos chips suelen estar hechos de materiales transparentes y constan de canales de microfluidos revestidos con células vivas.

La creación de dispositivos OOC normalmente implica la fabricación del chip utilizando técnicas de microfabricación, seguida de la preparación de cultivos celulares que luego se integran en los canales de microfluidos del chip.

Dr. Mikael Häggström/Wikimedia Commons

Una vez que la muestra está lista, se crea un entorno dinámico para establecer el flujo de fluido y se aplican fuerzas mecánicas para imitar el entorno del órgano. Los dispositivos OOC también tienen sensores conectados que ayudan a monitorear diversos parámetros como la viabilidad, el metabolismo y la actividad eléctrica del órgano.

Al proporcionar un entorno tridimensional que imita la acción de los tejidos y órganos nativos, la tecnología OOC permite que las células interactúen y se comuniquen de manera muy similar a como lo hacen en los sistemas de órganos reales.

En términos generales, existen dos tipos de tecnología OOC, según la cantidad de órganos en el chip: sistemas OOC de un solo órgano y de múltiples órganos.

Los sistemas OOC de un solo órgano constan de un solo órgano y son increíblemente útiles para explorar la función de órganos individuales. Sin embargo, la función de cada órgano también se ve afectada por otros órganos, por lo que también es vital estudiar los sistemas OOC multiorgánicos.

Kwanchanok Viravaidya, Aaron Sin y Michael L. Shuler estudiaron uno de los primeros conceptos de un sistema de órganos múltiples en un chip en 2004. Su dispositivo OOC era una combinación de cuatro compartimentos, que representaban el pulmón, la grasa, el hígado y otros tejidos. .

NCATS/Wikimedia Commons

Sin embargo, uno de los grandes avances en la tecnología OOC fue liderado por Donald Ingber del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard. En 2010, Ingber y su equipo desarrollaron con éxito el primer pulmón en un chip mediante microingeniería.

Pero, ¿en qué se diferencia la tecnología OOC de los cultivos celulares tradicionales?

Los cultivos tradicionales de células o tejidos se utilizan para cultivar y estudiar células en un laboratorio. Estos métodos implican el cultivo de células en superficies bidimensionales, como placas de Petri o matraces de cultivo celular, generalmente en un medio líquido que contiene nutrientes esenciales y factores de crecimiento.

El término "cultivo de tejidos" fue acuñado por el patólogo estadounidense Montrose Thomas Burrows y existe desde el siglo XIX. Sin embargo, los avances recientes en la tecnología OOC le permiten superar los cultivos celulares tradicionales en muchos aspectos diferentes.

La tecnología OOC permite a los investigadores imitar las complejas estructuras tridimensionales y microambientes de los órganos humanos, lo que a menudo es fisiológicamente más relevante que el entorno bidimensional de los cultivos celulares.

kaibara87/Wikimedia Commons

Las técnicas de cultivo celular tridimensional incluyen andamiaje y bioimpresión. Estos ya se han utilizado para el descubrimiento de fármacos y han reemplazado algunas pruebas con animales. Sin embargo, también tienen limitaciones, como la presencia de componentes hormonales no deseados de origen humano. También pueden sufrir variabilidad entre lotes y otras limitaciones.

OOC evita estos problemas y también ofrece la ventaja de utilizar microchips para estudiar la función de los órganos a escala miniatura.

Otra ventaja que ofrece OOC es la capacidad de recrear interfaces tejido-tejido. Al permitir la integración de múltiples tipos de células, los OOC pueden ayudarnos a estudiar la comunicación cruzada celular, la señalización celular y la influencia de diferentes poblaciones de células en la función general de los órganos.

Además, la tecnología OOC ofrece la capacidad de crear condiciones dinámicas. Los chips pueden simular condiciones fisiológicas como el flujo de fluidos, fuerzas mecánicas y gradientes bioquímicos. Es mucho más difícil replicarlos en cultivos celulares tridimensionales, aunque los investigadores todavía están trabajando para desarrollar dichos sistemas.

Por último, la tecnología OOC ofrece la capacidad de probar y analizar el efecto de múltiples fármacos o compuestos en paralelo. Esto mejora la eficiencia, reduce los costos y puede acelerar el ritmo del descubrimiento y las pruebas de fármacos.

Todas estas ventajas hacen del OOC un gran candidato para su uso en la investigación biomédica, lo que podría conducir a métodos más precisos y eficientes para estudiar enfermedades, desarrollar fármacos y evaluar la toxicidad.

El uso de animales para el desarrollo de fármacos, pruebas de formulaciones cosméticas y otros usos similares ha sido durante mucho tiempo un tema muy polémico por diversas razones. Una de ellas son las preocupaciones éticas de utilizar animales para nuestro uso. Los animales a menudo reciben un trato deficiente y casi siempre resultan gravemente dañados o asesinados durante las pruebas, lo que les causa angustia, dolor y sufrimiento extremos.

Rklfoto

Esto plantea serias cuestiones éticas sobre el trato moral y humano de los animales y el equilibrio entre los derechos de los animales y los beneficios humanos. Muchas sociedades y organizaciones, como el Comité de Médicos por una Medicina Responsable (PCRM) y Personas por el Trato Ético de los Animales (PETA), han estado luchando para poner fin a todas las pruebas con animales.

Aparte de las preocupaciones éticas, existen limitaciones asociadas con el uso de modelos animales para predecir las respuestas humanas. Si bien los mecanismos biológicos básicos son similares, los humanos somos genética y fisiológicamente muy diferentes de los animales.

Como dijo Donald Ingber en una entrevista con Nature Reviews Materials, "Los modelos animales se utilizan comúnmente para estudiar enfermedades y tratamientos humanos; sin embargo, a menudo tienen una capacidad limitada para imitar las condiciones humanas, en particular, a nivel molecular y celular. ¿Por qué? ¿Seguimos usándolos?"

Las diferencias en el metabolismo de los fármacos, la manifestación de enfermedades y las respuestas inmunitarias significan que la seguridad y eficacia de un fármaco probado en animales no necesariamente se traducirá en humanos.

Suiza

Además, los altos costos y el tiempo que requieren las pruebas con animales plantean desafíos importantes. Las pruebas con animales requieren una gran cantidad de animales que deben ser alojados, recibir atención veterinaria y alimentarse. Además, existen largos protocolos y regulaciones experimentales que deben seguirse, lo que aumenta los gastos y el tiempo.

Se están explorando métodos alternativos para poner fin a las pruebas con animales, como las pruebas virtuosas, los ensayos anteriores en humanos y el modelado computacional, pero todos tienen una serie de limitaciones. ¡Y el órgano en un chip no podría haber llegado en mejor momento!

Dado el éxito de la tecnología OOC y las limitaciones y consideraciones éticas actuales que rodean las pruebas con animales, es muy probable que los dispositivos OOC eventualmente reemplacen o eliminen la necesidad de pruebas con animales.

La tecnología OOC es muy precisa y ofrece una mayor previsibilidad debido a su excelente recreación de la función de varios órganos humanos, lo que la convierte en un candidato mucho mejor para estudiar las respuestas específicas de los humanos a toxinas, enfermedades y medicamentos en comparación con los animales.

Esto, a su vez, reduce el tiempo y el costo invertido en pruebas preclínicas y reduce el riesgo de efectos adversos cuando los hallazgos se trasladan a sujetos humanos.

Andriy Koval

Además, la tecnología OOC se puede utilizar para probar múltiples compuestos y medicamentos en paralelo en un solo chip, lo que agiliza enormemente el proceso de desarrollo y descubrimiento de fármacos. Esta eficiencia reduce el tiempo y la carga financiera asociados con las pruebas con animales, lo que permite a los investigadores acelerar la investigación científica.

Además, la tecnología OOC no daña ni maltrata a los animales, ya que las células o los tejidos son de origen humano (los humanos tampoco resultan dañados). Este enfoque prácticamente elimina el sufrimiento animal, lo que supone una enorme victoria para los derechos y el bienestar de los animales.

El progreso futuro de la tecnología de órgano en un chip (OOC) es muy prometedor. Desde el avance de 2010, se han recreado con éxito otros órganos, como el hígado, el corazón y los riñones, utilizando tecnología OOC. Estos avances han permitido a los investigadores estudiar las funciones de los órganos, las interacciones y las respuestas a fármacos y enfermedades con mayor precisión y relevancia.

En 2012, otro estudio realizado por Ingber y su equipo exploró la toxicidad de los fármacos en un microdispositivo de pulmón en un chip. Los modelos de hígado en un chip también se han mostrado prometedores en estudios de metabolismo de fármacos y pruebas de toxicidad.

Instituto Wyss, Universidad de Harvard/Wikimedia Commons

También se han desarrollado con éxito modelos de corazón en un chip. Un estudio dirigido por Genevieve Conant, de la Universidad de Toronto, utilizó un modelo de corazón en un chip para evaluar la función cardíaca y detectar candidatos en busca de toxicidad por fármacos.

También se han desarrollado múltiples modelos de órganos, incluido el intestino en un chip, un chip de intestino-riñón y un intestino delgado, hígado y pulmón en un chip. Estos chips multiorgánicos son muy prometedores para investigar los efectos de los medicamentos en múltiples sistemas y ya se han utilizado para probar la farmacocinética de medicamentos contra el cáncer, la interacción entre la microbiota intestinal y el metabolismo nutricional.

A pesar de las historias de éxito, la tecnología OOC sigue presentando desafíos y limitaciones. Dado que la tecnología aún se encuentra en sus primeras etapas, se necesita más financiación, investigación y desarrollo para su adopción más amplia.

La validación de estos modelos con datos clínicos también es crucial para garantizar su precisión y confiabilidad. La estandarización de las plataformas OOC, la integración de una gama más amplia de sistemas de órganos múltiples y la viabilidad cultural a largo plazo son áreas que requieren mayor atención.

La investigación en curso también se centra en ampliar y perfeccionar las capacidades de los dispositivos OOC, como la incorporación de células inmunitarias, vasculatura y sistemas multiorgánicos. Una mayor integración con técnicas de imágenes ofrecerá a estos dispositivos una ventaja al permitir el monitoreo en tiempo real.

Universidad de Washington/Wikimedia Commons

La necesidad de sistemas OOC multiorgánicos, en particular, es esencial, ya que los órganos forman parte de muchas redes del cuerpo.

La tecnología OOC representa un cambio de paradigma en el descubrimiento y desarrollo de fármacos, al ofrecer un enfoque más preciso, eficiente y humano para estudiar la fisiología humana y desarrollar tratamientos seguros y eficaces. Al aprovechar el poder de la ingeniería, la microtecnología y la biología, los dispositivos OOC están allanando el camino para un futuro en el que las pruebas con animales puedan reemplazarse o eliminarse por completo, lo que conducirá a avances significativos en el descubrimiento de fármacos y las pruebas de toxicidad sin la necesidad de dañar a los animales.