Los organoides añaden nuevas dimensiones a la investigación de células, tejidos y órganos

Ingeniería de tejidos, edición de genes, órganos en chips: no hay duda de que los cultivos y líneas celulares han transformado la biología y la medicina.

Pero a medida que la ciencia se acerca a los límites de lo que uno o dos tipos de células pueden hacer, los investigadores están recurriendo a los organoides, una herramienta más nueva que puede imitar entornos corporales e imitar no sólo células, sino también tejidos y órganos.

"Una de las cosas más notables de los últimos 10 años es el descubrimiento, a través del trabajo cooperativo de literalmente cientos de laboratorios en todo el mundo, de que podemos cultivar esencialmente cualquier tipo de célula fuera del cuerpo utilizando este conjunto de herramientas organoides", dijo Andrew Ewald, quien dirige el Departamento de Biología Celular de la Facultad de Medicina Johns Hopkins.

Durante más de un siglo, los investigadores han cultivado células en laboratorios para estudiar enfermedades, toxinas y tratamientos. Pero, al igual que fotocopiar una sola página de un libro, el cultivo de células sólo cuenta una parte de la historia.

Los organoides, que contienen múltiples tipos de células que interactúan, se parecen más a una sinopsis. La distinción entre cultivos y organoides es la diferencia entre un pepino y una ensalada, o una bujía y un motor.

"Son similares a órganos: las características estructurales de las células en estas disposiciones tridimensionales son muy similares a cómo se verían dentro del cuerpo", dijo Ewald.

La investigación de Ewald se basa en el trabajo de los pioneros en este campo, quienes demostraron a fines de la década de 1980 que las células epiteliales de un seno, cultivadas en una estructura proteica tridimensional, podían formar conductos e incluso producir leche, un proceso difícil de estudiar en humanos vivos.

"Podemos observar nuevos tubos iniciarse, alargarse, bifurcarse y polarizarse hasta su estado de diferenciación madura, todo ello en unos pocos días en el laboratorio", dijo Ewald.

Ewald también estudia el cáncer y las metástasis. Pero las células cancerosas pueden tardar semanas o años en formar nuevos tumores en órganos vitales, por lo que Ewald utiliza organoides para modelar las diferentes etapas del proceso en el laboratorio.

Esta ventana que ofrecen los organoides a procesos celulares complejos podría ayudar a los científicos a ver cómo se desarrollan, cambian y mueren las células, incluso en el intrincado y especializado mundo del cerebro.

"Realmente los usamos para estudiar aspectos del desarrollo neurológico y las enfermedades neurodegenerativas, con un enfoque en la enfermedad de Alzheimer", dijo el biólogo molecular de ASU David Brafman.

Los investigadores pueden cultivar organoides a partir de células madre adultas, que producen células específicas para su propio tipo de tejido, o de células madre pluripotentes inducidas (iPS) que, con el empujón adecuado que involucra ciertos cultivos y factores de crecimiento, pueden convertirse en cualquier tipo de célula del cuerpo.

El tipo que los investigadores elijan utilizar depende de sus necesidades y objetivos.

El laboratorio de Brafman introduce diferentes factores de riesgo de enfermedades en células iPS extraídas de un individuo sano. Debido a que estas células son genéticamente idénticas, proporcionan un vínculo causal más claro entre los factores de riesgo y las enfermedades.

"Eso proporciona mucho más control, en lugar de tomar un conjunto de células iPS de un grupo de pacientes sanos y un grupo de pacientes enfermos, donde no sólo se compara el estado de la enfermedad con el estado saludable, sino que también se compara diferencias en el trasfondo genético”, dijo Brafman.

La utilidad de los organoides radica en parte en su capacidad para construir vecindarios enteros que albergan diversos tipos de células que interactúan. Para darle sentido a este entorno complejo, los investigadores utilizan tintes especiales para teñir tipos de células con diferentes colores.

"Y cuando realmente los miramos, podemos ver que tienen todos los tipos de células del tejido que recolectamos", dijo el biólogo de células cancerosas de la UA Curtis Thorne.

Imagínese un organoide como una masa gelatinosa salpicada de manchas parecidas a pasas, similar a una desagradable ensalada de ambrosía. La receta es sencilla, si no simple: comience con una muestra sana o enferma; agregar enzimas; pique para separar las celdas deseadas; colóquelos en un andamio de proteínas tridimensional; agregue sopa nutritiva; y dejar crecer en una cámara climáticamente controlada.

"En unas pocas semanas, veremos crecer estas pequeñas estructuras que llamamos organoides", dijo Thorne. "Y cuando crezcan lo suficiente, podemos dividirlos y resuspenderlos en el andamio, y seguirán creciendo y ampliándose".

El armazón en sí está formado por proteínas típicas secretadas por las células del tejido conectivo del cuerpo, como lamininas, colágenos y fibronectinas.

"Si se toman células de diferentes partes del cuerpo y se las coloca en un ambiente tridimensional apropiado, se organizarán en tejidos que se parecen mucho a los que se formarían en el cuerpo", dijo Ewald.

Sin andamios, los organoides tienen tanta estructura como la gelatina sin molde; con él, las células pueden organizarse en un verdadero tiramiso tisular. Las células pancreáticas formarán conductos pancreáticos; Las células neuronales formarán estructuras cerebrales. Y lo harán rodeados de rostros celulares familiares.

“Piense en las células como si llevaran una vida social: no son una sola célula que se encuentra en una placa de Petri y se convierte en páncreas; se trata de un grupo de células que se tocan entre sí con velcro molecular”, afirmó Ewald. "Están estableciendo y rompiendo contactos con sus vecinos, y están enviando señales dentro de sus propias células y a sus vecinos basándose en esos contactos".

Esos vecinos podrían incluir vasos sanguíneos, células inmunitarias o fibroblastos u otras células epiteliales.

"Esto ha sido importante incluso en áreas de investigación en las que ya existían muchas formas de cultivar y mantener las células", afirmó Ewald. "Pero ha sido una revolución para las enfermedades raras y para las enfermedades en las que, en primer lugar, es difícil extraer células del cuerpo para estudiarlas".

Las enfermedades raras a menudo carecen de un mercado suficiente para atraer la investigación farmacéutica. Un ejemplo es la enfermedad de Cushing, un síndrome progresivo en el que el cuerpo produce en exceso la hormona del estrés cortisol. La enfermedad de Cushing puede provocar aumento de peso, hipertensión, ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares, y puede acortar significativamente la vida de los pacientes.

"La falta de progreso se debe a la falta de financiación y al escaso interés en estas enfermedades, a pesar de los estragos que pueden causar en los pacientes", dijo el neurocirujano Dr. Andrew Little, director del Centro Pituitario del Instituto Neurológico Barrow. "Sin embargo, ahora tenemos un nuevo modelo que podemos utilizar para estudiar estas enfermedades".

La enfermedad de Cushing suele deberse a un tumor benigno que hace que la glándula pituitaria bombee demasiada ACTH (hormona adrenocorticotrópica). Esto sobreestimula las glándulas suprarrenales, lo que hace que aumenten la producción de cortisol.

Little realiza cirugías transesfenoidales en los pacientes de Cushing para extirpar estos tumores hipofisarios. El proceso implica el uso de un endoscopio para acceder a la glándula a través de la nariz y el hueso esfenoides.

"Afortunadamente, la glándula pituitaria se encuentra justo detrás de la parte posterior de la nariz", dijo Little. "Cuelga del cerebro como una cereza en un tallo, por lo que podemos colarnos debajo del cerebro a través de la nariz y acceder a la glándula pituitaria".

Como beneficio adicional, y con el consentimiento de su patente, Little puede enviar los tumores extirpados a colegas como Yana Zavros, directora del recurso compartido de adquisición de tejidos y análisis celular/molecular de la UA.

Zavros estudia la enfermedad de Cushing cultivando tres tipos diferentes de organoides: uno del tejido tumoral del paciente; uno de tejido pituitario humano normal, a modo de comparación; y uno elaborado empujando las células de la sangre periférica con factores de crecimiento para que se conviertan en tejido pituitario.

Little dijo que la tercera técnica ofrece ventajas únicas.

"Es muy abundante y podemos obtener fácilmente ese tejido simplemente mediante una extracción de sangre a través de una vena periférica", dijo. "Mientras que los otros dos tipos requieren que realice una cirugía cerebral para obtenerlo".

Thorne utiliza organoides para estudiar cómo los tejidos intestinales se mantienen, reparan y defienden. El intestino comprende una amplia gama de células madre que deben identificarse entre sí y saber cuándo regenerar el tejido, pero estas señales pueden fallar cuando el cáncer entra en escena.

"Podemos interrogarlos de diferentes maneras (probarlos con diferentes medicamentos o tratamientos con factores de crecimiento) y recapitular la forma en que se comporta el tejido en el cuerpo, pero lo hacen en un plato", dijo Thorne.

El laboratorio de Thorne se centra en las células superficiales del intestino delgado y grueso: una verdadera jungla de células caliciformes secretoras de moco, células hormonales secretoras de hormonas y colonocitos y enterocitos absorbentes de nutrientes.

"Es un tejido formado por muchas células y los organoides recapitulan esa heterogeneidad", dijo Thorne.

Antes de los organoides, la investigación celular se basaba en gran medida en líneas celulares, a menudo derivadas de cánceres.

Algunas eran tan duraderas y prolíficas que eran prácticamente inmortales; el ejemplo más famoso y controvertido son las células HeLa adquiridas de Henrietta Lacks por el investigador de Johns Hopkins, el Dr. George Gey, en 1951, antes de las prácticas actuales de consentimiento informado.

Aunque son convenientes, estas líneas celulares pueden parecerse un poco a los zombis: se multiplican, pero no se separan en diferentes tipos de células, y no funcionan como células del cuerpo.

"Y por eso fue fácil cultivarlos, pero no representan los comportamientos de crecimiento de las células del cuerpo ni la función de las células del cuerpo", dijo Thorne.

Los patólogos lo han pasado aún peor, confiando para sus diagnósticos en tejido muerto biopsiado y fijado en formaldehído.

"Así que la patología pasará de ser una disciplina de punto final o de tejido muerto a una disciplina de tejido vivo, lo que creo que será un cambio de paradigma importante para el campo de la patología médica", dijo Thorne.

Thorne dice que los organoides ya desempeñan un papel principal en las pruebas de nuevos fármacos y en la identificación de cuáles deberían pasar a ensayos clínicos. Pero también cree que los organoides están preparados para pasar del laboratorio a la clínica en las próximas décadas y hacer avanzar la medicina personalizada en el proceso.

La esperanza es que los investigadores puedan luego estudiar tejidos sanos y cancerosos recolectados de pacientes específicos cultivándolos en organoides, a los que perfilarían genéticamente y los expondrían a diferentes terapias.

"Cuando ingresa a la clínica, se recolectará su tejido, se mantendrá vivo y se perfilará de una manera que ayude a orientar al médico sobre cómo trata su propia enfermedad", dijo.

Brafman se siente menos optimista acerca de estas interacciones médico-paciente con organoides. Los considera una herramienta preclínica que afecta indistintamente a los pacientes proporcionando tratamientos más eficaces o más baratos.

De cualquier manera, los organoides no son una panacea; son simplemente otra herramienta más del kit, más adecuada que otras para sus usos particulares.

“Entonces, nuevamente, la palabra clave es 'mejor'”, dijo Brafman. "No se parece en nada al mismo tipo de entorno que en el desarrollo neurológico, pero es mejor que el 2-D".

Sin embargo, los organoides siguen siendo complicados: difíciles de ampliar, descifrables sólo mediante imágenes y genómica de última generación, y desconcertantemente intrincados.

"Cuanto más complejo sea el sistema modelo, menos escalable será", dijo Thorne.

Hasta que la investigación elimine ese cuello de botella, los científicos deben confiar en organoides más simples y en estudios que puedan automatizar.

Mientras tanto, algunos temen que el miedo, la ignorancia y la creciente burocracia gubernamental limiten aún más el progreso.

También persiste la preocupación de que ni los pacientes ni los hospitales comprendan los organoides lo suficientemente bien como para que el proceso de consentimiento informado funcione como debería, especialmente teniendo en cuenta las afirmaciones de que algunas personas siguen reglas diferentes.

"Dentro de la ley, los pacientes siempre están protegidos", dijo Thorne. "Pero algunas instituciones médicas son más agresivas a la hora de adquirir tejido (bajo consentimiento), pero adquirir tejido y hacer cosas interesantes con ese tejido".

Los organoides son herramientas interesantes que arrojan nueva luz sobre el desarrollo celular y las enfermedades dentro de estructuras tridimensionales que imitan tejidos y órganos. Pero sólo el tiempo dirá si estos soufflés celulares alcanzan su máximo potencial.

"La ciencia es un proceso lento y laborioso", dijo Brafman. “Eso no significa que no debamos financiarlo o entusiasmarnos con él; esa es simplemente una especie de proceso”.

"Cualquiera que quiera donar células, tejidos u órganos después de su fallecimiento, lo recomiendo encarecidamente a que lo haga", dijo.