Organoides en la Investigación Biomédica: Oportunidades y Desafíos
Los organoides son modelos tridimensionales y en miniatura de órganos y tejidos que se cultivan in vitro a partir de células madre u otras células progenitoras con la capacidad de diferenciarse en un tipo celular encontrado en un órgano o tejido determinado. Imitan de cerca la estructura y función de los órganos humanos, lo que los convierte en herramientas valiosas para estudiar el desarrollo humano, modelado de enfermedades, descubrimiento de fármacos y medicina personalizada.
Por Adrienne L. Watson, PhD
Director Científico, World Precision Instruments
Aplicaciones de los Organoides
Los organoides tienen una amplia gama de aplicaciones en la investigación biomédica y el desarrollo de fármacos:
- Modelado de Enfermedades: Los organoides se han utilizado con éxito en combinación con edición genética y derivados de pacientes para modelar enfermedades como el cáncer, la fibrosis quística y trastornos neurodegenerativos, proporcionando valiosa información sobre la progresión de la enfermedad y la respuesta al tratamiento. Estos organoides modelo de enfermedad han permitido a los investigadores estudiar los mecanismos subyacentes en un modelo más fisiológicamente relevante. Mejores modelos preclínicos de enfermedad pueden conducir a una mejor comprensión de la progresión de la enfermedad y al desarrollo de estrategias de tratamiento personalizadas, dando a los organoides una ventaja sobre modelos biológicos menos complejos.
- Cribado de Fármacos: Los organoides ofrecen una plataforma para el cribado y prueba de fármacos que se asemeja más a la fisiología humana en comparación con los cultivos celulares bidimensionales tradicionales. Los organoides son únicos porque suelen ser más fisiológicamente relevantes que otros modelos de cultivo celular, pero menos complejos y difíciles de estudiar que los modelos animales. La capacidad de examinar grandes cantidades de organoides en el laboratorio puede aprovecharse para identificar eficazmente agentes terapéuticos potenciales, evaluar toxicidad y eficacia, y predecir respuestas a medicamentos de manera más precisa y eficiente.
- Biología del Desarrollo: Los organoides pueden usarse para estudiar los procesos de crecimiento de órganos, generación de tejidos y otros procesos biológicos críticos durante el desarrollo. Al manipular las condiciones de cultivo, los investigadores pueden investigar cómo interactúan y se diferencian tipos celulares específicos para formar estructuras complejas, proporcionando información sobre el desarrollo normal y posibles enfoques de medicina regenerativa.
- Medicina de Precisión: Los organoides tienen el potencial de avanzar en la medicina personalizada al permitir la prueba de respuestas a medicamentos y opciones de tratamiento en modelos de organoides específicos para cada paciente. Al aislar células específicas del paciente o usar edición genética para realizar cambios asociados con diversas enfermedades o fenotipos, los organoides pueden aprovecharse para identificar las terapias más efectivas para cada paciente según su composición genética única y características de la enfermedad.
- Mecanismos de Enfermedad y Fisiopatología: Los organoides ofrecen una plataforma para estudiar los mecanismos moleculares y celulares que subyacen a la patogénesis de enfermedades. Al analizar modelos de organoides, los investigadores pueden obtener información sobre la progresión de la enfermedad, identificar vías de señalización clave y descubrir posibles objetivos terapéuticos para la intervención.
Evolución de los Organoides
Los organoides surgieron en los años 2000, cuando se desarrollaron por primera vez métodos para cultivar estructuras específicas de órganos a partir de células madre. Desde entonces, el campo ha crecido rápidamente, con avances y mejoras tecnológicas que permiten la generación de organoides más complejos y funcionales. La tecnología clave que apoya el desarrollo de medios de cultivo especializados, andamios 3D y sistemas microfluídicos para apoyar el crecimiento y maduración de organoides ha mejorado la capacidad de los investigadores para realizar modelados biológicos y patológicos usando organoides. Además, las tecnologías para analizar organoides han permitido que esta plataforma se utilice para comprender los mecanismos de la enfermedad y, lo que es importante, realizar cribados terapéuticos y descubrimiento de fármacos.
Ventajas de los Organoides en la Investigación
Los organoides ofrecen varias ventajas sobre otros modelos de investigación y preclínicos, pero también tienen limitaciones:
Cultivo Celular Estándar
Los organoides proporcionan un modelo más fisiológicamente relevante en comparación con el cultivo celular 2D tradicional. Los organoides replican la complejidad y arquitectura de órganos reales, permitiendo una representación más precisa de la estructura y función del tejido. También pueden reproducir mejor los fenotipos de enfermedades y las respuestas a medicamentos. Sin embargo, los organoides pueden ser más difíciles de establecer y mantener en comparación con los cultivos celulares estándar, requiriendo protocolos especializados y experiencia. Los protocolos disponibles para organoides no están tan establecidos como los del cultivo celular estándar, lo que genera problemas de estandarización y la necesidad de recursos significativos para establecer estos modelos.
Cultivo Celular 3D
Aunque tanto los organoides como los cultivos celulares 3D implican el crecimiento de células en tres dimensiones, los organoides son estructuras más complejas que imitan de cerca la organización y función de órganos reales. Los organoides contienen múltiples tipos de células y exhiben funciones específicas del tejido, lo que los hace más adecuados para modelar el desarrollo de órganos, enfermedades y respuestas a medicamentos. En contraste, los cultivos celulares 3D suelen centrarse en el crecimiento de un tipo celular o una estructura multicelular simple. Los organoides pueden ser más difíciles de establecer, ya que el desarrollo de estructuras complejas a menudo requiere condiciones complejas de crecimiento y desarrollo con una organización específica que a menudo es difícil de imitar en cultivo. Esto hace que los organoides sean costosos y difíciles de establecer y experimentar.
Sistemas Organ-on-Chip
Las tecnologías de organoides y organ-on-chip pueden ser enfoques complementarios para modelar la fisiología y las enfermedades humanas. Mientras que los organoides a menudo combinan físicamente diferentes tipos de células, los sistemas organ-on-chip utilizan microfluidos y barreras para imitar la interacción dinámica entre células. Los sistemas organ-on-chip ofrecen un control preciso sobre el microambiente y las interacciones entre muchas células y fluidos diferentes. Mientras que los organoides generalmente imitan un solo tejido u órgano, los dispositivos organ-on-chip pueden modelar muchos tejidos y órganos diferentes y cómo interactúan entre sí.
Modelos Animales
Los organoides ofrecen una alternativa ética y de menor costo a los modelos animales para estudiar la biología y las enfermedades humanas. Los organoides pueden derivarse de células humanas, lo que permite a los investigadores investigar los mecanismos de la enfermedad y las respuestas a medicamentos en un contexto específico del paciente. Sin embargo, los organoides pueden no reproducir completamente las interacciones sistémicas y la complejidad de organismos completos, limitando su utilidad para ciertas preguntas de investigación. Los modelos animales siguen siendo valiosos para estudiar procesos fisiológicos complejos, respuestas de todo el cuerpo y pruebas de medicamentos in vivo. Además, los animales proporcionan una plataforma para entender la administración y dosificación de medicamentos, y permiten imágenes clínicas, cirugías y otros procedimientos que no pueden replicarse con sistemas in vitro.
Mercado Emergente de Organoides
Se espera que el mercado de organoides crezca significativamente en los próximos años a medida que esta tecnología se vuelva más extendida y accesible. Varias empresas e instituciones de investigación están activamente involucradas en el desarrollo y comercialización de productos y servicios basados en organoides. Se proyecta que el mercado global de organoides alcance los $1.6 mil millones para 2025, impulsado por la creciente demanda de medicina personalizada y la necesidad de modelos preclínicos más predictivos.
World Precision Instruments (WPI) ofrece productos y tecnologías para apoyar la investigación con organoides hoy en día, de la misma manera que WPI apoya el desarrollo y evaluación de otros modelos preclínicos, desde modelos estándar de cultivo celular hasta organ-on-chip y modelos animales. Los organoides ofrecen una plataforma preclínica que WPI actualmente respalda ofreciendo suministros de laboratorio y consumibles para experimentos de cultivo celular, equipos estándar de microscopía e imagen en células vivas para visualizar organoides, y tecnología microfluídica que apoya el crecimiento, mantenimiento y análisis de organoides. Los organoides a menudo carecen de ciertos tipos celulares y no pueden representar las interacciones de múltiples tejidos y órganos. Además, la incapacidad para modelar el sistema vascular y linfático es otra limitación de los organoides. Al combinar organoides con dispositivos microfluídicos como organ-on-chip y otros sistemas microfisiológicos, los investigadores pueden crear modelos más fisiológicamente relevantes que incorporan aspectos de ambas tecnologías y mejoran la precisión en las pruebas de fármacos y el modelado de enfermedades usando organoides. WPI está comprometida a apoyar tecnologías que avancen y sinergicen con los organoides, incluyendo sistemas organ-on-a-chip, microfluídica y edición genómica.
Una de las tecnologías fundamentales de WPI, las mediciones de resistencia eléctrica transepitelial (TEER) se ha integrado en la investigación con organoides y ha permitido a los investigadores superar algunas de las limitaciones actuales en este campo. TEER se ha realizado en las células que se usan para los organoides antes de la generación de estos, para la validación funcional y el control de calidad, lo que reduce la heterogeneidad que los organoides suelen presentar y mejora la reproducibilidad. Al calificar las células antes de generar los organoides, los investigadores pueden estandarizar su material inicial y protocolos para reducir la variabilidad y generar datos más significativos. Los organoides pueden ser difíciles de evaluar funcionalmente, siendo la microscopía la herramienta principal utilizada; sin embargo, TEER ofrece un método no invasivo para medir la integridad de la barrera y proporcionar una lectura funcional de los organoides. En los últimos dos años, se han publicado varios estudios que demuestran la utilidad de las mediciones TEER en la investigación con organoides:
Varani et al., Las interacciones célula-matriz contribuyen a la función de barrera en organoides de colon humano., 2019.
La tecnología EVOM de WPI permitió mediciones TEER para evaluar la interacción entre células y la membrana basal en organoides de colon humano, demostrando que las interacciones célula-matriz contribuyen significativamente a la integridad de la barrera en el colon.
Hori et al. Modelos de organoides basados en células madre trofoblásticas de la barrera placentaria humana, 2024.
Las mediciones TEER habilitadas por la instrumentación EVOM de WPI demostraron la integridad de la barrera y el nivel de maduración del modelo de organoide de placenta humana derivado de células madre trofoblásticas, proporcionando un modelo ideal para entender cómo facilitar el desarrollo de fármacos que permitan o eviten que compuestos atraviesen la barrera placentaria.
Varani et al., Una intervención multimineral para contrarrestar la actividad proinflamatoria y mejorar la barrera en organoides de colon humano, 2023.
Se midió TEER usando la tecnología EVOM™ de WPI para demostrar el efecto de varios compuestos sobre la integridad de la barrera del colon humano inflamado, modelado mediante organoides colónicos humanos.
Warschkau et al., De 3D a 2D: Armonización de protocolos para cultivos bidimensionales en insertos de cultivo celular de organoides intestinales de varias especies, 2022.
Se utilizó el Millicel ERS-2 fabricado por WPI para optimizar el desarrollo de organoides a partir de cultivos 2D para imitar la función de barrera tisular y desarrollar uniones estrechas electrofisiológicas en cultivos funcionales de organoides.
Salari et al. Cocultivo de colonioides humanos y miofibroblastos para el estudio de Na apical+/H+ Intercambiadores de la región inferior del cuello criptal, 2023.
Las mediciones TEER de EVOM™ de WPI se usaron para cuantificar la funcionalidad del transporte paracelular de células miofibroblasto-epiteliales colónicas cocultivadas en comparación con células en monocultivo, demostrando que la funcionalidad espacialmente organizada de las criptas colónicas se modela mejor en un sistema de organoides.
Deleu et al., Alta concentración de acetato protege la barrera intestinal y ejerce efectos antiinflamatorios en cultivos monocapa epiteliales derivados de organoides de pacientes con colitis ulcerosa, 2023.
Se utilizó la medición TEER de EVOM™ para evaluar preclínicamente los efectos de altas concentraciones de acetato sobre la inflamación y la integridad de la barrera en cultivos monocapa basados en organoides de pacientes con colitis ulcerosa.
En resumen, los organoides han surgido como una herramienta poderosa para avanzar en la investigación biomédica y el desarrollo de fármacos, ofreciendo ventajas únicas sobre el cultivo celular estándar, el cultivo celular 3D, los sistemas de órgano-en-un-chip y los modelos animales. WPI apoya plataformas de investigación con organoides y la tecnología TEER de WPI ha sido fundamental para evaluar funcionalmente los organoides en cuanto a la integridad de la barrera y el descubrimiento y desarrollo de fármacos. WPI continúa desarrollando e integrando tecnologías adicionales que son clave para superar las limitaciones existentes de los organoides, allanando el camino para la adopción generalizada de esta tecnología en diferentes laboratorios que estudian una variedad de enfermedades. Al aprovechar las fortalezas de múltiples modelos in vitro y preclínicos y abordar sus respectivas limitaciones, los investigadores pueden desarrollar modelos más predictivos y traslacionales para estudiar la biología y la enfermedad humana.
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