‘Cuerpo-en-un-chip’ Soluciones Microfluídicas para Aprovechar la Impresión 3D

La Necesidad de Mejores Modelos de Laboratorio de Cuerpo

Encontrar y probar nuevos fármacos siempre es un proceso complejo y costoso. Históricamente, dependía completamente de probar los nuevos productos en animales y humanos.

Más recientemente, se ha utilizado la prueba in vitro para ver qué podría hacer un nuevo fármaco potencial a ciertos tipos de células.

Sin embargo, la relevancia de los estudios in vitro siempre es incierta, ya que el cuerpo completo, animal o humano, es muy diferente de una simple cultura de células. Un químico anti-cáncer podría ser absorbido por el intestino, procesado en una nueva molécula por el hígado y tener efectos inesperados en el cerebro. Ninguno de estos procesos será identificado correctamente con solo una cultura de células cancerosas.

Esto está lejos de ser solo un tema académico, ya que muchos fármacos potenciales fallan en la fase I de los ensayos clínicos, lo que revela problemas de seguridad que los estudios con animales y in vitro no identificaron lo suficientemente pronto.

Esto, a su vez, cuesta mucho dinero y aumenta el costo de los fármacos salvavidas futuros.

Source: Research Gate

Afortunadamente, una nueva tecnología podría estar llegando al rescate, con una simulación mucho más precisa de un cuerpo completo en entornos de laboratorio.

Órgano-en-un-chip

“Body-on-a-chip”, también llamado “human-on-a-chip” o sistemas microfisiológicos, buscan replicar completamente o en parte un cuerpo con cultivos de células.

Para hacerlo, conecta múltiples órganos in vitro en miniatura (“órgano-en-un-chip”).

Source: Harvard

Órgano-en-un-chip es una tecnología que utiliza microfluidos para suministrar nutrientes al cultivo de células, creando una simulación realista de la difusión de nutrientes y fármacos en un órgano real.

Por ejemplo, esto puede crear un modelo de “vía respiratoria en un chip” que simula cómo funcionan las vías respiratorias humanas, así como modelos de intestinos humanos, riñones o médula ósea.

https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543

De Órgano-en-un-chip a Cuerpo-en-un-chip

Al combinar múltiples sistemas de órgano-en-un-chip, puedes empezar a crear partes de un cuerpo completo y considerar adecuadamente el proceso biológico que un fármaco realizaría en un paciente real.

Esto puede implicar mecanismos biológicos tan diversos como la respuesta inmune, la absorción de fármacos en el intestino, los pulmones o los vasos sanguíneos, la contracción muscular, el metabolismo hepático, etc.

Source: Harvard

Una vez más, esto es crucial, ya que la mayoría de los efectos de los fármacos (positivos y negativos) solo pueden entenderse si se consideran las reacciones de muchos órganos diferentes.

Diseños de Cuerpo-en-un-chip

No todos los cuerpos-en-un-chip son iguales, y existen muchos diseños diferentes para el órgano-en-un-chip utilizado para construir el sistema completo. Cada uno tiene sus propias ventajas y es utilizado de manera diferente por los investigadores médicos.

Una forma de categorizarlos es por el tipo de célula y tejidos utilizados. Algunos órganos-en-un-chip utilizan solo un tipo de célula (monocultivo), apoyado por microestructuras artificiales o capas de colágeno. Otros tienen múltiples tipos de células ensambladas juntas, ya sea en esferoides o en estructuras 3D más complejas.

Source: Nature.com

Otra forma de categorizarlos examina cómo se transfieren los fluidos dentro y entre los órganos-en-un-chip. Pueden compartir el mismo fluido ambiental o estar conectados a través de un diseño personalizado de tubos que replican el sistema sanguíneo o linfático. El flujo de líquido puede ser continuo o controlado por transferencias de fluidos robóticas.

También pueden estar separados del fluido circulante de nutrientes y fármacos por una membrana porosa o una capa de células (endotelio).

Source: Nature.com

Como puedes imaginar, esta diversidad de diseños crea combinaciones casi infinitas. Así que, aunque ya son muy útiles, los investigadores apenas están comenzando a diseñar órganos-en-un-chip y cuerpos-en-un-chip y todavía están experimentando para encontrar el equilibrio óptimo entre réplicas perfectas, confiabilidad y costos de producción.

Mercado de Órgano-en-un-chip

Órgano-en-un-chip es una tecnología nueva que apenas está alcanzando la madurez suficiente para salir del laboratorio de investigación y entrar en el proceso de desarrollo de fármacos. En 2023, era un mercado de $103M.

Las estimaciones sitúan el mercado de órgano-en-un-chip en $303M para 2026, con un crecimiento rápido al reemplazar las pruebas con animales, lo que estima para 2027 en $529M. Otras previsiones ven que crecerá a $1.4B para 2032, multiplicándose por más de 10 en 8 años.

Cuerpo-en-un-chip es aún más reciente y se beneficiará en gran medida de la innovación tecnológica para mejorar su rendimiento y confiabilidad, y reducir costos.

Aplicaciones de Cuerpo-en-un-chip

Farmacocinética

Una característica clave de los fármacos que impacta profundamente su eficacia y posible toxicidad es la “farmacocinética”. En términos más simples, se refiere a cómo se difunde el fármaco en el cuerpo y en los tejidos de cada órgano individualmente.

Esto es difícil de predecir en papel o en modelos informáticos, ya que depende de cómo reaccionarán los intestinos, la sangre y los órganos a un químico específico.

Para esto, se requieren cuerpos-en-un-chip lo más completos posible, con el punto de entrada del fármaco variando según si se administra oralmente (estómago e intestinos), en aerosoles (pulmones) o intravenosamente (sangre).

Source: Nature.com

Medicina Personalizada

Otra gran promesa de cuerpo-en-un-chip es el potencial para la medicina personalizada. Cada vez más, los investigadores y las startups de biotecnología están buscando desarrollar fármacos no solo para “humanos” en general, sino adaptados a subcategorías (sexo, ascendencia, edad, perfil genético, etc.) hasta el paciente individual.

Gracias a su alta replicabilidad, sin riesgos para la salud y menor costo, pueden reemplazar ventajosamente muchas pruebas clínicas en la fase inicial de desarrollo de un fármaco.

Por ejemplo, podrían ayudar en la identificación de candidatos alternativos de fármacos cuando surgen problemas de seguridad, especialmente si el problema solo afecta a una subpoblación específica.

Source: Nature.com

Inicialmente, los cuerpos-en-un-chip deberán demostrar su superioridad sobre los estudios in vitro y con animales existentes.

Sin embargo, el objetivo final será la replicación precisa de ensayos clínicos in vivo.

En un futuro aún más lejano, podríamos imaginar que los cuerpos-en-un-chip que contienen las células del propio paciente podrían usarse para predecir de antemano la reacción a varios fármacos y determinar el mejor método terapéutico.

Impresión 3D para Ayudar a Crear Cuerpos-en-un-chip

Los órganos reales son estructuras 3D complejas con una mezcla intrincada de diferentes células y tejidos.

Para que el órgano-en-un-chip que compone el cuerpo-en-un-chip simule realistamente el órgano real, hay una necesidad de que el proceso de fabricación cree una réplica casi exacta de los tejidos del órgano real. O, en el futuro, tal vez incluso órganos completamente crecidos.

Esto solo será posible gracias a una tecnología emergente llamada bioimpresión.

Reutiliza el principio clave de la impresión 3D: una boquilla es controlada por una computadora y deposita el material deseado en el lugar correcto, poco a poco. Pero en lugar de depositar plástico o metal, deposita células vivas.

La bioimpresión ha evolucionado en paralelo con la tecnología de órgano y cuerpo-en-un-chip, con un enfoque inicial en resolver la dificultad tecnológica de “imprimir” con células.

Actualmente, la industria todavía depende en gran medida de la estructura artificial para dar estructura a las células impresas. Sin embargo, se ha avanzado en la creación de órganos impresos en 3D que son más similares a los órganos orgánicos.

Así que, si el órgano-en-un-chip actual principalmente recrea una plantilla de las capas múltiples que forman los tejidos de un órgano, combinarlo con métodos de bioimpresión avanzados podría crear simulaciones aún más realistas.

Si deseas leer más, exploramos en profundidad la bioimpresión en nuestros artículos “Órganos a la Demanda: Mejores Acciones de Bioimpresión 3D” y “Nueva Técnica Permite la Impresión 3D de Tejido Cerebral Funcional“.

Empresas de Bioimpresión y Cuerpo-en-un-chip

1. BICO Group AB (BICO.ST)

En 2021, Cellink fue rebautizado como BICO Group, después de adquirir Cytena herramientas de automatización de laboratorio en 2019 y Scienion herramientas de medición de gotas microscópicas de alta precisión en 2020.

Cellink sigue siendo la marca para la parte de bioimpresión del negocio.

Aunque no es el único en el campo, Cellink es claramente un fabricante de equipo de bioimpresión muy avanzado, con un enfoque en suministrar a investigadores en biotecnología y biomedicina.

A largo plazo, las empresas de bioimpresión probablemente evolucionarán de proporcionar herramientas a los investigadores a convertirse en proveedores de terapias de bioimpresión para pacientes de las compañías farmacéuticas. Esto, a su vez, cambiará completamente la cantidad de bioimpresoras en uso y, más importante aún, el volumen de consumibles vendidos cada mes.

Esto es el mismo proceso que ocurrió con otros fabricantes de equipo de laboratorio, incluyendo máquinas de secuenciación de genomas de PacBio (PACB) e Illumina (ILMN), que terminaron generando el 80% de sus ingresos por ventas de consumibles.

2. Organovo

La tecnología patentada de Organovo utiliza tejidos humanos impresos en 3D para imitar aspectos clave de los tejidos humanos reales, incluyendo composición, arquitectura, función y enfermedad.

Esto se utilizó para encontrar nuevas moléculas con potencial terapéutico. Al validar primero las moléculas potenciales en el modelo de tejido 3D, la compañía espera reducir el riesgo de fracasos en los ensayos clínicos, debido a un modelo celular in vitro más realista antes de cualquier prueba en humanos.

La cartera de Organovo se centra en la enfermedad inflamatoria intestinal (EII) y la fibrosis hepática, con un programa en fase 2/3 de ensayos clínicos y otro en fase 1. Los resultados de la fase 2a se esperan en el segundo semestre de 2025.

Source: Organovo

Hubo 2,1 millones de casos en EE. UU. en 2022 y 13 millones de casos en todo el mundo de colitis ulcerosa, una forma de EII, lo que representa un mercado de $6.6B. También se espera que siga creciendo a un ritmo del 6% anual hasta 2032, hasta un mercado de $12B.

Como Organovo utiliza una simulación realista del tejido intestinal, con epitelio polarizado y capa intersticial, es probable que tengan una buena representación in vitro de cómo actuará su fármaco en un paciente.

Source: Organovo

Es probable que, a medida que el cuerpo-en-un-chip se convierta en una tecnología más madura, el enfoque de Organovo de utilizar tejidos humanos impresos en 3D se vuelva aún más probable para predecir problemas potenciales en el desarrollo de fármacos.

Esto, a su vez, debería ayudar a acelerar el descubrimiento de fármacos y utilizar su capital de manera más eficiente que los competidores que aún dependen de métodos más antiguos.