Hileras de viales con líquido nutriente rojizo, de los cuales los tubos conducen a pequeñas bombas, así como dispositivos de medición, recipientes con solución nutritiva y platos de plástico transparente con huecos redondos. Cada una de las plaquetas ("chip") es aproximadamente del tamaño de un portaobjetos de microscopio. Lo que parece una fábrica bioquímica a pequeña escala es una configuración experimental para cultivar e investigar tejido óseo, conocido como "hueso en un chip".
Las células óseas, que reciben alimento líquido y oxígeno, se mantienen en los pocillos del chip de plástico, llamados cámaras de cultivo. Aquí se controlan cuidadosamente, se mantienen a una temperatura adecuada y se les proporcionan precisamente las condiciones a las que también están expuestos los seres humanos.
¿Un hueso en un chip? ¿Cómo encaja eso? ¿Y cuál es el propósito de todo esto? Estamos en el laboratorio del ingeniero biotecnológico Dr. Frank Schulze en el Centro Alemán para la Protección de Animales de Laboratorio, que forma parte del BfR (Instituto Federal para la Evaluación de Riesgos) en Berlín-Marienfelde. El modelo de hueso en miniatura de Schulze fue concebido y construido por él y su equipo. El chip que diseñaron es fabricado por una empresa especializada en Jena, mientras que el equipo produjo otras partes del sistema con la ayuda de una impresora 3D. Sin embargo, la tecnología para el crecimiento de órganos pequeños, ya sean huesos, hígado, cerebro o riñones, es un territorio nuevo que debe modificarse.
Sin omóplato hecho a pedido
Sin embargo, hay que decir adiós a la idea de que un pequeño omóplato o rabadilla está creciendo aquí en un chip semiconductor. La idea de que pronto podrá hacer crecer un órgano completo, del tamaño que sea, es utópica. Un órgano en el chip solo puede imitar la estructura y función del original hasta un grado muy limitado. Por eso también se le llama organoide, que significa estructura similar a un órgano.
Aún así, estos modelos representan un gran paso adelante. Mientras que las células en un cultivo celular convencional forman un césped plano en la placa de Petri y, por lo tanto, permanecen bidimensionales, el organoide es una estructura espacial tridimensional. La investigación está prosperando en todo el mundo, incluso en organoides óseos. Huesos en el chip: también suena como si la electrónica y la vida, las células y los semiconductores estuvieran conectados aquí. No es tan.
Cultivo bajo en gérmenes: Frank Schulze y su equipo controlan y cultivan las células en un banco de trabajo estéril. Foto: BfR / Norman Ertych
Después de todo, no es un chip de silicio, sino un chip de plástico. Este diseño facilita la simulación y el estudio de los procesos vitales en el órgano.
El modelo óseo de Frank Schulze trata de adaptar el suministro de oxígeno a las condiciones naturales. Además, las células están expuestas a una carga mecánica fija, como ocurre en la naturaleza. También en la vida real, los huesos están "bajo presión" y sometidos a tensión.
El tejido óseo está muy vivo. Está bien abastecido de sangre, tiene nervios y tiene una variedad de funciones. Así es como el hueso permite el movimiento. Protege los órganos internos, es parte del metabolismo mineral y el lugar de formación de la sangre. El material óseo viejo se degrada constantemente y se acumula material nuevo.
Células de donantes de la médula ósea
Suministro de filigrana: las células formadoras de hueso en el hueco redondo del chip de plástico reciben oxígeno y solución de nutrientes a través de un sistema de línea fina. Foto: BfR / Norman Ertych
Hay varios tipos de células que pueden cultivarse en organoides óseos. Los "fragmentos de hueso" de Frank Schulze están colonizados con osteoblastos. Su tarea es formar osteoide, la sustancia básica blanda para huesos nuevos, y luego mineralizarlo, es decir, endurecerlo.
El equipo de Schulze obtiene las células de un hospital de Berlín. Provienen de donantes a los que se les ha extraído médula ósea durante la cirugía. Estos son osteoblastos adultos que se dividen solo en un grado limitado y tienen una vida útil limitada. “Debido a los diferentes donantes, tenemos una amplia gama genética y realismo”, explica Schulze.
El equipo está trabajando para mantener vivas las células el mayor tiempo posible en condiciones realistas. Es importante un control preciso del contenido de oxígeno. Para mejorar el modelo, se necesitan muchas "artesanías". “Como ingeniero, eso me encanta”, dice Schulze. "Es un desafío atractivo combinar tecnología y biología".
El hueso desaparece en el espacio
El principio de los sistemas organoides es simplificar lo complicado, imitar las muchas funciones de un órgano en un sistema simple. Schulze está interesado, por ejemplo, en cómo reacciona un hueso a la tensión mecánica. En general, el entrenamiento promueve la formación de huesos, llamada osteogénesis, pero no en la ingravidez. A pesar del entrenamiento, los huesos de los astronautas se rompen. El chip de hueso puede ayudar a comprender estos procesos.
Schulze ve usos potenciales futuros para el sistema en la prueba de sustancias químicas o fármacos potenciales. Otro problema es la abrasión de los implantes, como las articulaciones artificiales de la cadera, que reacciona con el tejido y puede provocar el aflojamiento del implante. "Si el chip funciona como se esperaba, podemos comenzar con las primeras pruebas de sustancias este año", dice el investigador. "Esperamos ofrecer una alternativa científicamente significativa a los experimentos con animales con este enfoque".
La ventaja de los organoides es que están formados por células humanas y, por tanto, están más cerca de la realidad del organismo. No hay duda de que las grandes tareas esperan a los pequeños huesos.
Este artículo se publicó por primera vez en la revista científica del Instituto Federal para la Evaluación de Riesgos “BfR2GO” (número 1/2021).
Aprende más:
Schulze, F., MR Schneider. 2019. ¿Esperanza o patraña? Organ-on-a-chip en la investigación biomédica y como alternativa a la experimentación con animales. Deutsches Tierärzteblatt (10) 67: 1.402–1.405
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