Biotecnología
Soluciones microfluídicas “Body-On-Chip” para aprovechar la impresión 3D
La necesidad de mejores modelos de laboratorio corporal
Finding and testing new drugs is always a complex and expensive process. Historically, it was entirely reliant on testing the new products on animals and humans.
Más recientemente, se ha utilizado la prueba in vitro para observar qué podría hacer un posible nuevo fármaco en tipos celulares específicos.
Sin embargo, la relevancia de los estudios in vitro siempre es incierta, ya que el cuerpo completo, ya sea animal o humano, es muy diferente de una simple cultura celular. Un químico anticancerígeno 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 se identificaría correctamente con solo una cultura de células cancerosas.
Esto está lejos de ser solo un problema académico, ya que muchos fármacos potenciales fracasan en la fase I de los ensayos clínicos, revelando problemas de seguridad que los estudios en animales e in vitro no lograron identificar a tiempo.
Esto, a su vez, cuesta mucho dinero y aumenta el costo de futuros fármacos que salvan vidas.
Fuente: 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.
Organ-On-A-Chip
“Body-on-a-chip”, también llamado “human-on-a-chip” o sistemas micro fisiológicos, buscan replicar total o parcialmente un cuerpo con cultivos celulares.
Para lograrlo, conecta múltiples órganos in vitro en miniatura (“organ-on-a-chip”).
Fuente: Harvard
Organ-on-a-chip es una tecnología que utiliza microfluidos para suministrar nutrientes al cultivo celular, creando una simulación realista de la difusión de nutrientes y fármacos en un órgano real.
Por ejemplo, esto puede crear un modelo de “airway-on-a-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 Organ-On-A-Chip a Body-On-A-Chip
Al combinar múltiples sistemas organ-on-a-chip, puedes comenzar 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 del fármaco en el intestino, los pulmones o los vasos sanguíneos, la contracción muscular, el metabolismo hepático, etc.
Fuente: 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 Body-On-Chip
No todos los body-on-chip se fabrican de la misma manera, y existen muchos diseños diferentes para el organ-on-chip utilizado para construir todo el sistema. Cada uno tiene sus propias ventajas y es usado de forma distinta por los investigadores médicos.
Una forma de categorizarlos es por el tipo de células y tejidos utilizados. Algunos organ-on-chip usan solo un tipo de célula (monocultura), apoyados ya sea 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.
Fuente: Nature.com
Otro método de categorización examina cómo se transfieren los fluidos dentro y entre los organ-on-chip. Pueden compartir el mismo fluido ambiental, o estar vinculados mediante un diseño personalizado de tubos que replican el sistema sanguíneo o linfático. El flujo de líquido puede ser continuo o controlado por transferencias robóticas de fluidos.
También pueden estar separados del fluido circulante de nutrientes y fármacos mediante una membrana porosa o una capa de células (endotelio).
Fuente: Nature.com
Como puedes imaginar, esta diversidad de diseños crea combinaciones casi infinitas. Así que, aunque ya son muy útiles, los investigadores están solo al comienzo del diseño de organ-on-chip y body-on-chip y aún están experimentando para encontrar el equilibrio óptimo entre réplicas perfectas, fiabilidad y costos de producción.
Mercado de Organ-On-Chip
Organ-on-chip es una tecnología nueva que recién está alcanzando la madurez suficiente para salir del laboratorio de investigación e ingresar al proceso de desarrollo de fármacos. En 2023, representaba un mercado de 103 millones de dólares.
Las estimaciones sitúan el mercado de organ-on-chip en 303 millones de dólares para 2026, con un rápido crecimiento al reemplazar pruebas en animales, estimando 529 millones para 2027. Otras previsiones lo ven creciendo a 1,4 mil millones de dólares para 2032, más de 10 veces en 8 años.
Body-on-chip es aún más reciente y se beneficiará enormemente de la innovación tecnológica para mejorar su rendimiento y fiabilidad y reducir costos.
Aplicaciones de Body-On-Chip
Farmacocinética
Una característica clave de los fármacos que impacta profundamente su efectividad y toxicidad potencial es la “farmacocinética”. En términos más simples, es la rapidez con la que el fármaco se difunde en el cuerpo y en los tejidos de cada órgano individualmente.
Esto es difícil de predecir en papel o en modelos computacionales, ya que depende de cómo el intestino, el torrente sanguíneo y los órganos reaccionarán a un químico específico.
Para ello, se requieren body-on-chip lo más completos posible, con el punto de entrada del fármaco variando según se administre oralmente (estómago e intestinos), en aerosol (pulmones) o por vía intravenosa (sangre).
Fuente: Nature.com
Medicina personalizada
Otra gran promesa del body-on-chip es su potencial para la medicina personalizada. Cada vez más, investigadores y startups biotecnológicas buscan 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, ausencia de riesgos para la salud y menor costo, pueden reemplazar de manera ventajosa muchos ensayos clínicos al afinar un fármaco en las etapas tempranas de desarrollo.
Por ejemplo, podrían ayudar en la identificación de candidatos alternativos cuando surjan problemas de seguridad, especialmente si el problema solo afecta a una subpoblación específica.
Fuente: Nature.com
Inicialmente, los body-on-chip deberán demostrar principalmente su superioridad frente a los estudios in vitro y en animales existentes.
Sin embargo, el objetivo final será la replicación precisa de los ensayos clínicos in vivo en pacientes.
En un futuro aún más lejano, podríamos imaginar que los body-on-chip que contengan las propias células del paciente podrían usarse para predecir de antemano la reacción a varios fármacos y determinar el mejor método terapéutico.
Impresión 3D para ayudar a fabricar Body-On-Chips
Los órganos reales son estructuras 3D complejas con una mezcla intrincada de diferentes células y tejidos.
Para que el organ-on-chip que constituye el body-on-chip completo simule de manera realista la realidad, es necesario que el proceso de fabricación cree una réplica casi exacta de los tejidos reales de los órganos. O, en el futuro, quizá incluso órganos completamente desarrollados.
Esto solo será posible gracias a una tecnología emergente llamada bioprintado.
Reutiliza el principio clave de la impresión 3d: una boquilla es controlada por una computadora y deposita el material deseado en el lugar correcto, paso a paso. Pero en lugar de depositar plástico o metal, deposita células vivas.
El bioprintado ha evolucionado en paralelo a la tecnología de organ & body-on-chip, inicialmente con mayor enfoque en resolver la dificultad tecnológica de “imprimir” con células.
Actualmente, la industria aún depende mayormente de andamios artificiales 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 orgánicos.
Así que, si el organ-on-chip actual recrea principalmente una plantilla de las múltiples capas que forman los tejidos de un órgano, combinarlo con métodos avanzados de bioprintado podría crear simulaciones aún más realistas.
Si deseas leer más al respecto, exploramos a fondo el bioprintado en nuestros artículos “Órganos bajo demanda: mejores acciones de bioprintado 3D” y “Nueva técnica permite la impresión 3D de tejido cerebral funcional”.
Empresas de bioprintado y Body-On-Chip
1. BICO Group AB (BICO.ST)
En 2021, Cellink fue renombrada como BICO Group, tras su adquisición de las herramientas de automatización de laboratorio Cytena en 2019 y de las herramientas de medición de microgotas de alta precisión Scienion en 2020.
Cellink sigue siendo la marca de la parte de bioprintado del negocio.
Aunque no está sola en el campo, Cellink es claramente un fabricante de equipos de bioprintado muy avanzado, con enfoque en proveer a investigadores en biotecnología y biomedicina.
A largo plazo, es probable que las empresas de bioprintado evolucionen de proveer herramientas a investigadores a convertirse en proveedores de terapias de bioprintado para pacientes de compañías farmacéuticas. Esto, a su vez, cambiará completamente la cantidad de bioprinteres en uso y, más importante aún, el volumen de consumibles vendidos cada mes.
Este es el mismo proceso que ocurrió con otros fabricantes de equipos de biolaboratorio, incluidas las máquinas de secuenciación genómica de PacBio (PACB) y Illumina (ILMN), que terminan obteniendo el 80 % de sus ingresos de ventas recurrentes de consumibles.
2. Organovo
(ONVO )
La tecnología propietaria de Organovo utiliza tejidos humanos impresos en 3D para imitar aspectos clave de los tejidos humanos reales, incluida la 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 empresa espera reducir el riesgo de fracasos en los ensayos clínicos, gracias a un modelo celular in vitro más realista antes de realizar cualquier prueba en humanos.
El pipeline de Organovo se centra en la Enfermedad Inflamatoria Intestinal (IFD) y la fibrosis hepática, con un programa en fase 2/3 del ensayo clínico y otro en fase 1. Se esperan los resultados del POC de fase 2a en el segundo semestre de 2025.
Fuente: Organovo
Hubo 2,1 millones de casos en EE. UU. en 2022 y 13 millones de casos a nivel mundial de colitis ulcerosa, una forma de IFD, lo que representa un mercado de 6,6 mil millones de dólares. También se espera que siga creciendo a una tasa compuesta anual del 6 % hasta 2032, alcanzando un mercado de 12 mil millones de dólares.
Dado que 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 su fármaco actuará en un paciente.
Fuente: Organovo
Es probable que, a medida que el body-on-chip se convierta en una tecnología más madura, el enfoque de Organovo de usar tejidos humanos impresos en 3D sea aún más eficaz para predecir problemas potenciales tempranos en el desarrollo de fármacos.
Esto, a su vez, debería ayudarle a acelerar el descubrimiento de fármacos y utilizar su capital de manera más eficiente que los competidores que aún dependen de métodos más antiguos.
