El cuerpo humano en un chip: superando las limitaciones de los organoides con chips milimétricos

Seguro que muchos de vosotros ya os habéis percatado de un inconveniente importantísimo de los organoides. Y es que reproducen con relativamente buena fidelidad estructuras de un tejido o un órgano en concreto, pero ¿qué pasa cuando estamos interesados en la función asociada a varios compartimentos de ese órgano, como la absorción intestinal o el intercambio de gases en la respiración? ¿Y cuando queremos estudiar la interacción distintos órganos de un organismo? 

La arquitectura funcional de los órganos y la comunicación y la señalización entre estos son fundamentales en multitud de patologías como la diabetes, la obesidad o el cáncer, así como en diversas enfermedades cardiovasculares e inmunitarias. 

Hasta hace muy poco, los experimentos que tenían como objetivo estudiar estos procesos solo se podían realizar en modelos animales. Y, aunque, a día de hoy, siguen siendo los preferidos, los órganos sobre chips son una alternativa de moda en determinados contextos, puesto que además permiten analizar en detalle elementos que no pueden estudiarse in vivo.

¿Qué es un órgano en un chip?

Un órgano en chip (organ-on chip) es un sistema basado en células o tejidos humanos modificados que se mantienen vivos en compartimentos dentro de pequeñísimos chips microfluídicos. ^{1, 2, 3, 4}

Figura 1. Dimensiones y volúmenes de contenido de un chip para órganos estándar. Modificado de Ref. 4

Una red de canales muy finos permite la comunicación entre los diferentes cultivos celulares que se mantienen en los distintos compartimentos, regulando así de forma precisa el microambiente al que están sometidas las células para garantizar condiciones más cercanas a las fisiológicas. El control minucioso del microambiente contribuye al mantenimiento adecuado de las funciones de las células individualmente y en el contexto generalizado del órgano. ^{1, 5, 3}

Las células puede provenir de cultivos primarios (como biopsias de pacientes o incluso organoides) o de líneas celulares inmortalizadas, pero las más prometedoras son las derivadas de células madre pluripotentes inducidas, dado que recapitulan la enfermedad específica del paciente y son útiles para estudios de respuesta a fármacos o fenotipos de enfermedad.²

Naturalmente, son sistemas que no replican a la perfección las características fisiológicas del órgano o del organismo completo. Pero muchas veces se prefieren modelos sencillos que dejen de lado variables fisiológicas cuya interferencia es difícil de controlar o de entender in vivo. ¡Os explicamos algunos ejemplos a continuación!

Pero si todavía no os ha quedado claro el concepto, os recomendamos este video introductorio:

Reconstruyendo la arquitectura de un único órgano en un chip

Los sistemas de un solo órgano (single-organ systems) intentan replicar en el chip características funcionales de un órgano concreto.^{1, 2, 5, 6} Los más interesantes son, por lo que aportan con respecto a los organoides convencionales, los que imitan barreras corporales.

Algunos organ on chips replican la barrera de absorción intestinal, formados por una capa de epitelio del intestino que separa dos compartimentos correspondientes al lumen del intestino y a la sangre. En ellos se puede estudiar la absorción de fármacos administrados por vía oral, que se suministran de forma medida y recirculan, por lo que sería el compartimento luminal del chip.⁶ Algunos chips integran incluso un sistema que hace la membrana contráctil, simulando los movimientos peristálticos del intestino.^{7, 8}

Figura 2. Representación de un organ on chip intestinal. A la izquierda, esquema de las cámaras apical (equivalente al lumen intestinal) y basal (equivalente a la sangre) junto con una cámara de vacío para contractilidad del tejido. A la derecha, tipos celulares y organización en la barrera intestinal del chip, incluyendo el epitelio intestinal, el endotelio del capilar sanguíneo y otras células circulantes en la sangre. Modificado de Ref. 8.

 

Si recordáis, además, en la entrada sobre organoides cerebrales, mencionábamos que una de sus limitaciones era que no recapitulaban la barrera hematoencefálica (BHE), la responsable de regular qué sustancias pueden acceder al cerebro desde el torrente sanguíneo. Pues bien, existen organ on chips que contienen dos compartimentos similares al parénquima cerebral y al torrente sanguíneo separados por una membrana con los tipos celulares de la BHE.⁹ Comprender la difusión de diferentes fármacos a través de la BHE es esencial porque aquellos dirigidos al cerebro deben poder traspasarla, mientras que algunos son neurotóxicos y la permeabilidad de la BHE a los mismos podría ser letal.

Figura 3. Representación de la barrera hematoencefálica en el sistema nervioso central, incluyendo todos los tipos celulares implicados (izquierda) y su reproducción en el organ-on chip para el estudio de la BHE (derecha): Modificado de Ref. 9.

 

Algunas otras funciones que pueden estudiarse en estos modelos porque no son accesibles in vivo son la contractilidad del músculo cardiaco¹⁰ o la interfase alveolo-capilar en el pulmón, que se ve dañada en procesos infecciosos y que responde a estímulos mecánicos para permitir la entrada de sustancias al organismo a través de los pulmones, como pueden ser contaminantes aéreos². ¡Impresionante!, ¿verdad?

Figura 4. Esquema de un organ on chip de pulmón, que mimetiza los estímulos mecánicos asociados a la respiración para estudiar el intercambio de sustancias entre el aire entrante en los pulmones y los capilares sanguíneos en el alveolo. Modificado de Ref. 2.

El cuerpo humano en un chip para entender las interacciones entre órganos

Los chips multiórgano se han diseñado para comprender la interacción entre órganos a nivel sistémico; es decir, a través del intercambio de moléculas de señalización solubles entre distintos órganos por medio del torrente sanguíneo.⁵

Figura 5. Distintos tipos de organ-on chips obtenidos de pacientes. Modificada de Ref. 3.

Un sistema primitivo para el estudio de la toxicidad del naftaleno en pulmón incluía compartimentos donde se depositaban células hepáticas y células pulmonares, de modo que se pudiese analizar el efecto de la toxicidad de productos de la degradación de naftaleno en el pulmón. Una ventaja de este sistema es que emulaba el flujo sanguíneo del organismo, desviando parte del mismo a otros tejidos representados por compartimentos vacíos, útil a su vez para eliminar interferencias provocadas por estos elementos.¹¹

Figura 6. Representación del chip para el estudio de la toxicidad de productos de la degradación hepática de naftaleno en el pulmón. Las cámaras de hígado y pulmón contienen células primarias del tejido correspondiente, mientras que las cámaras de grasa y otros tejidos contribuyen a la verosimilitud de la circulación sanguínea, que en último término transporta los tóxicos producidos por el hígado al pulmón. Modificada de Ref. 11.

 

Pero la tecnología ha evolucionado y, una de las contribuciones más importantes en los human on chip (como también se llama a los chips multiórgano) ha sido la incorporación de componentes del sistema inmunitario humano, con ciertas diferencias con el de ratón que hacían que este modelo no fuese óptimo. Además, los órganos en chip simulan la circulación de las células del sistema inmunitario por la sangre, a través de los elementos contenidos en el chip.

La importancia del sistema inmunitario en enfermedades como la enfermedad inflamatoria intestinal es crítica. Ahora esta contribución se pueden estudiar in vitro gracias a chips multiórgano de intestino e hígado, órgano que produce ácidos grasos libres con capacidad de modular el sistema inmunitario.¹²

Pese a que los organ on chips son difíciles de generar y de mantener, entre otros porque aún no está estandarizado, son capaces de aportar información valiosísima a la que no tendríamos acceso de otra manera. Por razones evidentes, no capturan la fisiología completa de un organismo, pero tienen aplicaciones valiosísimas porque integran componentes celulares y tisulares humanos en un ambiente donde se pueden controlar al milímetro todos los estímulos. De esta forma, los órganos en chip pueden modelar enfermedades en contextos humanos, replicar in vitro la fisiología de funciones cuyo estudio in vivo sería imposible y, por si fuera poco, podrían agilizar las últimas etapas de ensayos preclínicos con nuevos fármacos, reemplazando los modelos animales.

Aun así, hay todavía muchas mejoras posibles. ¿Se os ocurren algunas? ¿Crees que investigar con estos sistemas tiene las mismas implicaciones que hacerlo con humanos o con animales?

Os leemos en los comentarios, ¡hasta la próxima semana!

[1] Leung CM, De Haan P, Ronaldson-Bouchard K, Kim GA, Ko J, Rho HS, et al. A guide to the organ-on-a-chip. Nature Reviews Methods Primers [Internet]. 2022 May 12;2(1). Available from: https://www.nature.com/articles/s43586-022-00118-6

[2] Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting Organ-Level lung functions on a chip. Science [Internet]. 2010 Jun 24;328(5986):1662–8. Available from: https://doi.org/10.1126/science.1188302

[3] Tang H, Abouleila Y, Si L, Ortega-Prieto AM, Mummery CL, Ingber DE, et al. Human Organs-on-Chips for Virology. Trends in Microbiology [Internet]. 2020 Jul 13;28(11):934–46. Available from: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7357975/

[4] Hensel IV, Steinhauer M, Fairless R, Resnik-Docampo M. Protocol for generating and analyzing organ-on-chip using human and mouse intestinal organoids. STAR Protocols [Internet]. 2024 Apr 26;5(2):103037. Available from: https://doi.org/10.1016/j.xpro.2024.103037

͑[5] Huh D, Hamilton GA, Ingber DE. From 3D cell culture to organs-on-chips. Trends in Cell Biology [Internet]. 2011 Oct 27;21(12):745–54. Available from: https://doi.org/10.1016/j.tcb.2011.09.005

[6] Imura Y, Asano Y, Sato K, Yoshimura E. A microfluidic system to evaluate intestinal absorption. Analytical Sciences [Internet]. 2009 Dec 1;25(12):1403–7. Available from: https://doi.org/10.2116/analsci.25.1403

[7] Kim HJ, Huh D, Hamilton G, Ingber DE. Human gut-on-a-chip inhabited by microbial flora that experiences intestinal peristalsis-like motions and flow. Lab on a Chip [Internet]. 2012 Jan 1;12(12):2165. Available from: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/lc/c2lc40074j

[8] Özkan A, LoGrande NT, Feitor JF, Goyal G, Ingber DE. Intestinal organ chips for disease modelling and personalized medicine. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology [Internet]. 2024 Aug 27;21(11):751–73. Available from: https://doi.org/10.1038/s41575-024-00968-3

[9] Ahn SI, Sei YJ, Park HJ, Kim J, Ryu Y, Choi JJ, et al. Microengineered human blood–brain barrier platform for understanding nanoparticle transport mechanisms. Nature Communications [Internet]. 2020 Jan 10;11(1). Available from: https://www.nature.com/articles/s41467-019-13896-7

[10] Visone R, Talò G, Occhetta P, Cruz-Moreira D, Lopa S, Pappalardo OA, et al. A microscale biomimetic platform for generation and electro-mechanical stimulation of 3D cardiac microtissues. APL Bioengineering [Internet]. 2018 Oct 29;2(4). Available from: https://doi.org/10.1063/1.5037968

[11] Viravaidya K, Sin A, Shuler ML. Development of a microscale cell culture analog to probe naphthalene toxicity. Biotechnology Progress [Internet]. 2004 Feb 6;20(1):316–23. Available from: https://doi.org/10.1021/bp0341996

[12] Trapecar M, Communal C, Velazquez J, Maass CA, Huang YJ, Schneider K, et al. Gut-Liver physiomimetics reveal paradoxical modulation of IBD-Related inflammation by Short-Chain fatty acids. Cell Systems [Internet]. 2020 Mar 1;10(3):223-239.e9. Available from: https://doi.org/10.1016/j.cels.2020.02.008