Hace una década, en 2009, surgieron las primeras publicaciones que describían por primera vez el cultivo de mini órganos derivados de humanos, los llamados organoides. Desde entonces, el cultivo de tejidos tridimensionales humanos se ha acelerado y ha abierto nuevas vías para aplicaciones biomédicas dando lugar a una multitud de enfoques innovadores como los sistemas de órganos en un chip y la medicina personalizada. Estas tecnologías tienen el potencial de terminar finalmente con la experimentación con animales: el viaje acaba de comenzar.
Modelos de enfermedades utilizando la tecnología organoide.
Los organoides son estructuras similares a órganos que se cultivan en el laboratorio a partir de células madre derivadas de humanos. Estas células madre pueden aislarse mediante biopsias de tejidos o generarse a partir de células de folículos capilares o fibroblastos de la piel. Este último enfoque tiene la ventaja de no ser invasivo para el donante humano, ya que las células maduras son reprogramadas por ingeniería genética que produce células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Dependiendo de las condiciones de cultivo, básicamente todos los órganos del cuerpo humano se pueden cultivar en el laboratorio a partir de iPSC. Los factores de crecimiento específicos añadidos al medio de cultivo determinan el destino de las células madre, desplazando el desarrollo hacia la formación de un organoide renal, intestinal, cerebral o hepático por ejemplo.
Los organoides son estructuras tridimensionales similares a órganos que albergan múltiples tipos de células que se organizan en una arquitectura fisiológica. Los mini-órganos humanos, en su mayoría de aproximadamente medio milímetro de tamaño, comparten las principales características funcionales del órgano nativo y conservan las características genéticas y fenotípicas del donante humano. En consecuencia, los organoides se cultivan a partir de donantes sanos o de pacientes que padecen una determinada enfermedad (1). Esta estrategia permite el establecimiento de un concepto revolucionario de modelos de enfermedades para la investigación biomédica experimental. Los mini cerebros se generan a partir de pacientes que padecen enfermedad de Alzheimer o Parkinson, organoides pancreáticos de pacientes diabéticos, organoides intestinales de personas que padecen enfermedad crónica (Crohn) o inflamatoria intestinal, los modelos pulmonares 3D se generan de fumadores y pacientes con EPOC (enfermedad pulmonar obstructiva crónica) o con asma. Las aplicaciones de estos modelos son innumerables, y también lo son los beneficios que han aportado a la investigación biomédica en los últimos diez años.
Los organoides cerebrales derivados de iPSC humanos pueden desarrollar tumores cerebrales (2), por ejemplo, añadiendo células cancerosas de cerebro humano (3). Los organoides derivados de pacientes que padecen un trastorno genético conservan las mutaciones genéticas in vitro. La corrección de esta mutación por ingeniería genética como CRISPR/Cas9 restaura la función adecuada del organoide. Por ejemplo, los organoides intestinales de donantes sanos se hinchan tras el tratamiento con una sustancia llamada AMPc. La proteína funcional que media este efecto es deficiente en pacientes con fibrosis quística. Los organoides generados a partir de estos pacientes, por lo tanto, no mostraron hinchazón inducida por AMPc in vitro, sin embargo, la corrección genética de la mutación en los organoides restableció esta respuesta (4). La medicina personalizada ya está disponible para pacientes con cáncer: los organoides se cultivan a partir de biopsias tumorales y los medicamentos se prueban en estos llamados microtumores para identificar la terapia más efectiva que finalmente se administra al paciente (5,6). Dichos modelos brindan información valiosa sobre la enfermedad real y permiten la investigación fiable de los mecanismos moleculares subyacentes y el desarrollo de enfoques terapéuticos.
Reconociendo el fracaso de los experimentos con animales.
En el pasado reciente, los expertos científicos académicos y la industria han criticado cada vez más los modelos de enfermedades basados en animales. No hay duda de que estos modelos reflejan poco las enfermedades humanas complejas, como la enfermedad de Alzheimer, la diabetes o el cáncer. Muchos de los llamados «modelos animales» intentan imitar un cierto aspecto o síntoma de una enfermedad humana al dañar artificialmente a los animales. Por ejemplo, la diabetes se simula inyectando una sustancia en ratas que destruye las células productoras de insulina en el páncreas. El accidente cerebrovascular se provoca en ratones al ocluir una arteria cerebral o la enfermedad de Parkinson al inyectar un veneno en el cerebro de ratas o primates no humanos. Sin embargo, estos modelos no se parecen a la complejidad de las enfermedades humanas que a menudo son causadas o al menos están ampliamente influenciadas por factores de estilo de vida, psicológicos y sociales.
Muchos modelos animales de enfermedades humanas, incluida la enfermedad de
Alzheimer o el cáncer, se generan por ingeniería genética. Los genes que se han
encontrado asociados con cierto trastorno en pacientes humanos son eliminados o
insertados en el genoma de ratones, ratas u otros animales. En lugar de mejorar
efectivamente la salud humana e impulsar la comprensión y la terapia de las
enfermedades humanas, esta estrategia de investigación proporciona grandes
cantidades de resultados falsos positivos y falsos negativos. Se han publicado
innumerables artículos en las últimas décadas que afirman que el cáncer, la
diabetes u otras enfermedades se han curado con éxito en ratones u otros
animales. A pesar de todos estos supuestos éxitos, todavía estamos lejos de
comprender las enfermedades generalizadas o curar a los pacientes de manera
efectiva.
El cuerpo humano en un chip
No hay duda de que necesitamos sistemas de modelo basados en humanos si queremos producir datos relevantes para los humanos con fines médicos, farmacológicos o toxicológicos. Los organoides humanos y otros modelos tridimensionales de cultivo de células humanas son los enfoques más prometedores que hemos tenido y, combinados con la tecnología de órgano en un chip, ofrecen un sistema sólido y fiable para estudiar cuestiones relevantes para los humanos (7).
El órgano en un chip (OOC), también conocido como chip de múltiples órganos
(MOC) o sistema micro fisiológico (MPS), es el ensamblaje de hasta 10
organoides (u otros cortes de células humanas avanzadas) colocados en un
biochip y conectado a través de un sistema de micro perfusión que simula los
circuitos sanguíneos y urinarios (8). Los órganos en el chip son
metabólicamente activos e interactúan entre sí a través de los circuitos
simulados. Para pruebas de fármacos o estudios de toxicología, las sustancias
de prueba se pueden administrar a todos los órganos del chip a través de este
sistema de perfusión. Una microbomba que regula la velocidad del flujo, así
como elementos que ajustan el pH, el suministro de oxígeno y otros parámetros
fisiológicamente relevantes también pueden integrarse en el sistema de chips,
dependiendo de la aplicación. Los efectos fisiológicos del fármaco o
combinaciones de fármacos pueden estudiarse analizando los organoides colocados
en el chip y tomando muestras de los circuitos sanguíneos y urinarios
simulados.
Órgano en un chip (OOC) para fines industriales y normativos
El sistema OOC ofrece numerosas ventajas sobre los experimentos con animales. Además de la mejor fiabilidad de los resultados experimentales, la tecnología OOC ofrece un cribado de alto rendimiento y es más rentable, en coste y tiempo, que los experimentos con animales, lo cual es muy apreciado por la industria farmacéutica. Además, las pruebas de posibles fármacos a través de OOC requieren cantidades mucho menores de la sustancia de prueba en comparación con los estudios en animales. La producción de nuevos compuestos farmacológicos es un factor de coste importante en la línea de desarrollo de fármacos. Debido a todas estas ventajas, varias compañías farmacéuticas globales apoyan el desarrollo de modelos organoides y OOC mediante el financiamiento y la colaboración con institutos de investigación y compañías OOC.
La evaluación de la seguridad humana es crucial en el sector normativo cuando se trata de la evaluación toxicológica de nuevos compuestos alimenticios, productos médicos y otros productos de consumo. Durante muchos años, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de los Estados Unidos ha estado ejecutando diferentes proyectos para la validación de modelos de organoides humanos y sistemas OOC con fines reglamentarios (9). En la Unión Europea, los experimentos con animales han sido prohibidos para las pruebas de cosméticos y la comercialización de dichos productos en la UE está prohibida desde 2014.
El Centro Europeo para la Validación de Métodos Alternativos (ECVAM) es responsable de la evaluación de los métodos in vitro para la evaluación de riesgos reglamentarios. La agencia ya ha aprobado varios modelos de tejidos 3D humanos para fines regulatorios y está evaluando continuamente nuevos sistemas in vitro para el reemplazo de pruebas en animales in vivo (10). Los modelos 3D de piel humana, pulmón y córnea están disponibles comercialmente y se aceptan para la evaluación de seguridad (11). Estos cultivos de tejidos se generan a partir de células humanas primarias e imitan de manera impresionante los epitelios naturales del cuerpo humano. Los modelos de piel están disponibles con diferentes cantidades de melanocitos que representan diferentes grupos étnicos y los modelos de pulmón se derivan de diferentes regiones del sistema de vías aéreas humanas, como los modelos bronquiales o alveolares. La tecnología de bioimpresión 3D permite la generación rápida y precisa de tales modelos de tejido humano (12). Los equivalentes de piel humana artificial se pueden imprimir con una complejidad impresionante que incluye vascularización, folículos pilosos y glándulas sudoríparas (13).
Si bien Alemania sigue apoyando enormemente la experimentación con animales, otros países han entendido el mensaje y se dirigen progresivamente hacia una ciencia sin experimentación animal y el establecimiento de tecnologías innovadoras basadas en el ser humano. En los Países Bajos, se supone que los experimentos con animales estarán prohibidos en la evaluación de seguridad reglamentaria de productos químicos, fármacos, aditivos alimentarios, etc. a partir de 2025 (14). En su lugar, se utilizarán modelos de investigación basados en humanos, que proporcionarán más fiabilidad y seguridad.
Aunque los sistemas OOC se acercan mucho a la fisiología humana, muchos investigadores critican que los experimentos con animales son necesarios para evaluar ciertos efectos de los fármacos, etc. en un organismo vivo completo. Los argumentos principales son la falta de un sistema vascular y un sistema inmune funcional en OOC. Actualmente, se ha desarrollado en la investigación de OOC y modelos organoides la adición de células inmunes y la integración de sistemas vasculares. Ya se ha desarrollado un sistema inmune complejo humano en un chip que contiene diferentes células inmunes y también vasos sanguíneos, y recientemente se envió al Laboratorio de la ISS (Estación Espacial Internacional) dentro de un proyecto apoyado por la NASA. Otros modelos OOC, como un sistema neuronal o un modelo de barrera hematoencefálica en un chip, también se enviarán al laboratorio de la estación espacial para responder a diferentes preguntas científicas relevantes para los humanos (15).
Hacia una investigación sin animales
La visión de una investigación sin animales está cerca. Los modelos organoides humanos y los sistemas OOC avanzados se pueden combinar con enfoques in silico. In silico significa modelos complejos basados en computadora que predicen con precisión los llamados procesos ADME en la investigación toxicológica, como los parámetros fisiológicos relacionados con la absorción, distribución, metabolismo y excreción de compuestos con una tasa de éxito impresionante (16). Se ha demostrado que los enfoques in silico proporcionan una previsibilidad mucho mejor en las pruebas de toxicología en comparación con los experimentos con animales (17,18). Dichos enfoques complementados por estudios clínicos y epidemiológicos en humanos ofrecen un bagaje científico que es capaz de investigar de manera fiable los problemas relevantes para los humanos relacionados con la salud y la enfermedad. Finalmente, los experimentos con animales deben terminarse para allanar el camino hacia una nueva era científica, en aras de la seguridad humana y el progreso médico.
Referencias
(1) Clevers H. Desarrollo de modelos y enfermedades con organoides. Célula. 2016; 165 (7): 1586–97. (2) Bian S y col. Los organoides cerebrales genéticamente modificados modelan la formación de tumores cerebrales. Métodos Nat. 2018; 15 (8): 631–9.
(3) Plummer S, Wallace S, Ball G, Lloyd R, Schiapparelli P, Quiñones-Hinojosa A, et al. Una plataforma 3D humana derivada de iPSC que utiliza células primarias de cáncer cerebral para estudiar el desarrollo de fármacos y la medicina personalizada. Sci Rep.2019; 9 (1).
(4) Schwank G y colab. Reparación funcional de CFTR por CRISPR / Cas9 en organoides intestinales de células madre de pacientes con fibrosis quística. Célula madre celular. 2013; 13 (6): 653–8.
(5) Tuveson D y Clevers H. El modelado del cáncer cumple con la tecnología de los organoides humanos. Ciencias. 2019; 364 (6444): 952-5.
(6) Halfter K y Mayer B. Traer modelos tumorales 3D a la clínica: valor predictivo para la medicina personalizada. Biotechnol J. 2017; 12 (2).
(7) Park SE y col. Organoides en un chip. Ciencias. 2019; 364 (6444): 960-5.
(8) Edington CD y col. Sistemas microfisiológicos interconectados para estudios cuantitativos de biología y farmacología. Sci Rep. 2018; 8 (1): 4530.
(9) Suena futurista, pero no es ciencia ficción: órganos humanos en un chip. CNBC 2017 [consultado el 19 de julio de 2019].
(10) Bingham M. Métodos de prueba validados. EU Science Hub – Comisión Europea. 2017 [consultado el 19 de julio de 2019].
(11) Almeida A y col. Información sobre modelos in vitro para la evaluación de seguridad y toxicidad de ingredientes cosméticos. Revista Internacional de Farmacia. 2017; 519 (1): 178–85.
(12) Ng WL y col. Bioimpresión de la piel: ¿realidad inminente o fantasía? Trends Biotechnol. 2016; 34 (9): 689–99.
(13) Augustine R. Bioimpresión de la piel: un enfoque novedoso para crear piel artificial a partir de bloques de construcción sintéticos y naturales. Prog Biomater. 2018; 7 (2): 77–92.
(14) Ministerie van Landbouw N en V. NCad opinion Transición a la investigación no animal – Informe – Comité nacional advies dierproevenbeleid. 2016 [consultado el 19 de julio de 2019]. Disponible en: Disponible en: https://www.ncadierproevenbeleid.nl/documenten/rapport/2016/12/15/ncad-opinion-transition-to-non-animal-research
(15) Johnson M. Tissue Chips in Space, un gran salto para la investigación. NASA 2018 [consultado el 19 de julio de 2019]. Disponible en: http://www.nasa.gov/tissue-chips
(16) Luechtefeld T et al. El aprendizaje automático de Big Data toxicológico permite que las relaciones de actividad de estructura de lectura cruzada (RASAR) superen la reproducibilidad de las pruebas en animales. Toxicol Sci. 2018; 165 (1): 198–212.
(17) Hartung T. Predicción de la toxicidad de los productos químicos: el software supera las pruebas en animales. EFSA Journal. 2019; 17 (S1): e170710.
(18) Noorden RV. El software supera las pruebas en animales para predecir la toxicidad de los productos químicos. Naturaleza. 2018; 559: 163.
Dr. Tamara Zietek – Doctors Against Animal experiments
25 de de julio de 2019
Traducción al castellano: Asociación Defensa Derechos Animal, Ong ADDA, miembro de la Coalición Europea contra los experimentos con Animales, ECEAE. Año 2019.
Ong Adda agradece la reproducción y divulgación de los contenidos siempre que se citen las fuentes y referencias.
Más información en el video: Mini órganos y chips de múltiples órganos: progreso científico sin experimentos con animales. Se puede visionar en VIMEO y YOUTUBE
