El pulmón es un órgano complejo cuya función principal es intercambiar gases. Es el órgano más grande del cuerpo humano y juega un papel clave en la oxigenación de todos los órganos. Debido a su estructura, composición celular y microambiente dinámico, es difícil de imitar in vitro.
Un laboratorio especializado del Centro ARTORG de Investigación en Ingeniería Biomédica de la Universidad de Berna, dirigido por Olivier Guenat, ha desarrollado una nueva generación de modelos in vitro denominados órganos en chip durante más de 10 años, centrándose en el modelado del pulmón y sus enfermedades. Después de un primer sistema pulmón en chip exitoso que exhibe características esenciales del pulmón, el laboratorio de tecnologías de órganos en chip (OOC) ha desarrollado ahora un pulmón en chip de próxima generación puramente biológico en colaboración con el Centro Helmholtz para Infecciones. Investigación en Alemania y los Departamentos de Cirugía Torácica y Neumología del Inselspital.
Una barrera aire-sangre de tamaño natural completamente biodegradable
Pauline Zamprogno, quien desarrolló el nuevo modelo para su tesis doctoral en el OOC, resume sus características: "El nuevo pulmón en chip reproduce una matriz de alvéolos con dimensiones in vivo. Se basa en una membrana delgada y estirable, hecha con moléculas que se encuentran naturalmente en el pulmón: colágeno y elastina. La membrana es estable, se puede cultivar en ambos lados durante semanas, es biodegradable y sus propiedades elásticas permiten imitar los movimientos respiratorios al estirar mecánicamente las células ".
A diferencia de la primera generación, que también fue construida por el equipo alrededor de Olivier Guenat, el sistema desarrollado reproduce aspectos clave de la matriz extracelular pulmonar (MEC): su composición (soporte de células hechas de proteínas MEC), su estructura (matriz de alvéolos con dimensión similar a las encontradas in vivo + estructura de la fibra) y sus propiedades (biodegradabilidad, aspecto clave para investigar la remodelación de la barrera durante enfermedades pulmonares como la FPI o la EPOC). Además, el proceso de fabricación es simple y menos engorroso que el de una membrana porosa estirable de polidimetilsiloxano del pulmón en chip de primera generación.
Amplias aplicaciones clínicas potenciales
Las células que se cultivarán en el nuevo chip para la investigación se obtienen actualmente de pacientes con cáncer que se someten a resecciones pulmonares en el Departamento de Cirugía Torácica del Inselspital. El jefe de departamento Ralph Schmid ve una doble ventaja en el sistema: "El pulmón en chip de segunda generación se puede sembrar con células alveolares pulmonares sanas o enfermas. Esto proporciona a los médicos una mejor comprensión de la fisiología pulmonar y una herramienta de predicción para detección de drogas y potencialmente también para la medicina de precisión, identificando la terapia específica con el mayor potencial de ayudar a un paciente en particular ".
"Las aplicaciones de estas membranas son amplias, desde investigaciones científicas básicas sobre las funcionalidades y patologías pulmonares, hasta la identificación de nuevas vías y un descubrimiento más eficiente de posibles nuevas terapias", dice Thomas Geiser, Jefe del Departamento de Neumología del Inselspital y Director de Docencia e Investigación del Insel Gruppe.
POTENTE ALTERNATIVA A LOS MODELOS ANIMALES EN INVESTIGACIÓN
Como ventaja adicional, el nuevo pulmón en chip puede reducir la necesidad de investigación neumológica basada en modelos animales. "Muchos candidatos a fármacos prometedores probados con éxito en modelos preclínicos en roedores han fallado cuando se probaron en humanos debido a diferencias entre las especies y en la expresión de una enfermedad pulmonar", explica Olivier Guenat. "Esta es la razón por la que, a largo plazo, nuestro objetivo es reducir las pruebas con animales y proporcionar más sistemas relevantes para el paciente para la detección de drogas con la posibilidad de adaptar modelos a pacientes específicos (sembrando órganos en chip con sus propias células)".
Pauline Zamprogno y sus compañeros del grupo OOC Technologies seguirán desarrollando el nuevo pulmón biológico en chip para imitar un pulmón con fibrosis pulmonar idiopática (FPI), una enfermedad crónica del pulmón que produce una cicatrización progresiva del tejido pulmonar en el interior. el marco de un proyecto de investigación financiado por el Swiss 3R Competence Centre (3RCC). "Mi nuevo proyecto consiste en el desarrollo de un modelo de IPF en chip basado en la membrana biológica. Hasta ahora, hemos desarrollado una barrera sangre-aire saludable. Ahora es el momento de usarla para investigar una cuestión biológica real", dice Zamprogno.
GRUPO DE INVESTIGACIÓN ORGANS-ON-CHIP TECHNOLOGIES DEL CENTRO ARTORG
Este grupo especializado del Centro ARTORG de Investigación en Ingeniería Biomédica desarrolla órganos en chip, centrándose en el pulmón y sus enfermedades, en colaboración con los Departamentos de Medicina Pulmonar y Cirugía Torácica del Inselspital. El grupo combina ingeniería, en particular microfluídica y microfabricación, biología celular e ingeniería de tejidos, ciencias de los materiales y medicina.
Los órganos en chip tienen el potencial de usarse en medicina de precisión
Su primer desarrollo de un pulmón en chip respiratorio se desarrolla aún más en colaboración con la empresa emergente AlevoliX, con el objetivo de revolucionar la investigación preclínica. Recientemente, el grupo ha desarrollado un pulmón en chip de segunda generación totalmente biológico que se centra en recrear la barrera aire-sangre del pulmón. Una segunda línea de investigación apunta al desarrollo de una microvasculatura pulmonar funcional. Aquí, las células endoteliales pulmonares se siembran en un entorno de microingeniería, donde se autoensamblan para construir una red de microvasos contráctiles y perfundibles de solo unas pocas decenas de micrómetros de diámetro.
Además de las aplicaciones farmacéuticas, se considera que los órganos en chip tienen el potencial de usarse en medicina de precisión para probar las propias células del paciente con el fin de adaptar la mejor terapia. Además, estos sistemas tienen el potencial significativo de reducir la experimentación con animales en la investigación médica y en ciencias de la vida. El grupo OOC opera la Instalación de Órganos en Chip, proporcionando a científicos de la Universidad de Berna, el Hospital Universitario de Berna y más allá de una infraestructura y equipo para producir dispositivos de microfluidos y probar órganos en chips.