Los sistemas de organ-on-chip y las 3Rs Understand article

La tecnología de organ-on-chip puede simular importantes propiedades de la fisiología humana. Algún día, estos sistemas avanzados podrían ser usados para remplazar el uso de animales en investigación médica.

Probablemente hayas escuchado que en la investigación científica se realizan experimentos con animales y te hayas preguntado por qué. Independientemente de tu opinión sobre el uso de animales en investigación, alguna vez te has beneficiado de ello, ya que todas las sustancias que acaban en nuestra comida o en la medicina han sido extensivamente probadas para evaluar su potencial riesgo. Para ello, las sustancias tienen que ser probadas en animales antes de ser probadas en personas voluntarias o aprobadas para su uso general, aunque desde 2009 no se permite en la Unión Europea el uso de animales para probar cosméticos. Sin embargo, sería ideal encontrar otra forma de probar si una sustancia es dañina o no. En este artículo resumiremos por qué se usan animales en investigación y qué tipo de alternativas podrían ser usadas en el futuro.

¿Por qué se usan animales en investigación?

Los cientificos suelen comenzar con cultivos celulares cuando hay que probar si una sustancia es segura. Estos cultivos dan una idea general sobre la toxicidad en células vivas, pero carecen de mucha más información. Por ejemplo, una sustancia puede ser inofensiva cuando se aplica en la piel, pero peligrosa cuando se traga. Otras sustancias pueden ser inofensivas por ellas mismas, pero pueden dar lugar a metabolitos tóxicos después de ser metabolizadas en el hígado. Además la mayoría de los órganos y los tejidos son estructuras en tres dimensiones bastante complejas y que contienen diferentes tipos de células que interaccionan entre sí. Estos aspectos no pueden ser simulados con cultivos celulares, por eso el uso de animales con órganos y tejidos complejos, como ratones, es el segundo paso necesario para probar si una sustancia es tóxica. El uso de animales en investigación es una parte obligatoria del desarrollo de fármacos y aditivos para la comida en todo el mundo, no solo en la Unión Europea.

Los órganos son sistemas complejos interconectados que no pueden ser simulados con cultivos celulares simples..
Con permiso de Mikael Häggström/public domain

¿Cuáles son los problemas del uso de animales en investigación?

Como hemos explicado, existen buenas razones para usar animales en investigación, pero también genera ciertos problemas. Por ejemplo, una idea extendida en la literatura científica es que “los ratones no son humanos” [1] Esto significa que los animales y humanos comparten muchas similitudes, pero también muchas diferencias. Los animales pueden digerir, absorber o metabolizar compuestos de forma muy diferente a los humanos. Una sustancia inocua para un animal puede ser, sin embargo, tóxica para un humano, y viceversa. Por ejemplo, ¿sabías que, aunque el chocolate no es tóxico para los humanos (aunque si te pasas de la cantidad puede darte dolor de estómago), la teobromina, uno de los componentes del chocolate, puede ser muy tóxica para los perros? Además, el uso de animlaes en investigación es muy caro: necesitan un entorno adecuado, comida y cuidados, incluso antes de que empiece el experimento. Existen leyes estrictas para asegurar el bienestar de los animales, dónde se alojan, cómo son tratados, y no se puede llevar a cabo de una forma más barata. Finalmente, sabemos que los animales pueden experimentar dolor y sufrimiento, por lo que hay que tener en cuenta los problemas éticos. Por ello, el uso de animales en investigación está regulado de forma estricta en la UE y, constantemente, bajo la revisión de autoridades locales como los comités de investigación y ética.

Para aumentar el bienestar de  los animales de laboratiorio, la UE aprobó la Directiva 2010/63/EU, que especifica que la investigación solo puede ser llevada a cabo con animales cuando no se puede responder a la pregunta científica de ninguna otra manera. Los comités y autoridades locales se aseguran que la directiva se cumpla. La directiva sigue el concepto científico de las 3Rs definido en 1959 por los científicos británicos Russel y Burch Burch.[2] De esta forma, los científicos se tiene que preguntar constantemente si el uso de animales es realmente necesario y, además, demostrárselo a las autoridades locales. Tener un método alternativo para hacer ensayos beneficiaría enormemente la investigación en ciencia y la toxicología.

¿Qué es el principio de las 3Rs?

Las 3Rs apuestan por:

  • Remplazar los modelos animales por modelos de ensayo alternativos.
  • Reducir al mínimo el número de animales usado en investigación mediante mejoras en el diseño del experimento.
  • Refinar los experimentos para reducir el daño y estrés a los animales de laboratorio.   

¿Cuáles son las alternativas?

Como los cultivos celulares simples no son suficientes para reflejar la complejidad de un tejido, un órgano o un organismo completo, los científicos y científicas han empezado a crear modelos que reflejen mejor la realidad. Estos modelos incluyen los llamados organoides, que son pequeños agregados en tres dimensiones de uno o más tipos celulares.

Un laboratorio de microfluídica y una imagen de un organoide visto al microscopio en tres dimensiones.
Izquierda: Un laboratorio de microfluídica combinando cultivo cellular e ingeniería para crear nuevas tecnologías, como los dispositivos de organ-on-chip. Derecha: un organoide en tres dimensiones inspeccionado a través de un microscopio
Copyright: Norman Ertych

Por ejemplo, los ensayos para los prodcutos usados en cosmética, se llevan a cabo en la actualidad en modelos de piel en tres dimensiones. Sin embargo, estos modelos todavía carecen de algunos componentes (Figura 1). Tu sangre y tus órganos presentan una saturación de oxígeno más baja que el aire y esto todavía no está representado en los cultivos celulares comunes. La mayoría de los órganos y tejidos están bajo la influencia de fuerzas mecánicas: tu corazón late para bombear sangre, tus pulmones se estiran cuando inhalas, y tus huesos soportan una carga mecánica cuando te mueves. Para simular estos aspectos físicos de los organismos se pueden usar bioreactores. Un bioreactor es un instrumento que puede alojar células u organoides en tres dimensiones y permite el control de varios parámetros ambientales, como la temperatura, el pH o la concentración de oxígeno.

Figura 1: Los diferentes models usados en investigación biomédica: cultivos celulares en dos dimensiones, cultivos celulares en tres dimensiones, organ-on-chip, modelos animales y ensayos en humanos. Generalmente, los sistemas más sencillos presentan también menor relevancia fisiológica.
Lida Ebrahimi, basado en la figura publicada originalmente en Ref. [3].

Recientemente ha surgido un tipo nuevo de biorreactores, el organ-on-chip. No te confundas: no es un pulmón o un hueso en miniatura dentro de un chip de silicio soldado a una placa de circuito. La terminología ‘on-a-chip’ significa que el biorreactor es producido usando las mismas técnicas que se usan en  los semiconductores electrónicos. Esto permite la creación de estructuras muy pequeñas de forma rentable, como por ejemplo los canales de menos de un milímetro de diámetro. Estos pequeños bioreactores pueden estar equipados también con sensores que monitoricen la concentración de nutrientes o la saturación de oxígeno (Figura 2).

Figura 2: Un dispositivo de microfluídica puede proporcionar una gran información fisiológicamente relevante al introducir nutrientes o incorporar otros parámetros con relevancia biológica, como la concentración de gases, la carga mecánica o el pH. Estos parámetros se pueden monitorizar mediante sensores.
Lida Ebrahimi

También hay ejemplos de organ-on-chip que producen estimulación mecánica para simular un corazón latiendo o un pulmón respirando. El uso de membranas porosas permite la simulación de tejidos barrera como la piel, la placenta o la barrera hematoencefálica. Estas barreras tienen una importancia crucial en toxicología, ya que las sustancias que pueden atravesarlas podrían ser tóxicas al otro lado de la barrera. Si los organ-on-chip son rellenados con las células indicadas, estos instrumentos pueden replicar un ambiente mucho más realista que los cultivos celulares simples.

Definición de organ-on-chip

Cuando hablamos de un organ-on-chip, los científicos y científicas no se refieren a un órgano completo en miniatura, sino a un modelo multicelular que simula ciertas partes de un tejido en concreto y sus funciones. Los modelos de organ-on-chip son microbioreactores que albergan células vivas que imitan unidades funcionales clave de los órganos. En los organ-on-chip se puede proporcionar a las células con un constante flujo de nutrientes, a la vez que se eliminan los deshechos. Estos instrumentos se pueden usar además para controlar parámetros como el pH y la concentración y presión de gases para mejorar la relevancia biológica del sistema.

Fotografía de un instrumento de organ-on-chip simple y de uno múltiple.
Ejemplo de un instrumento de organ-on-chip desarrollado en el Instituto Federal Alemán para la Evaluación de Riesgo (German Federal Institute for Risk Assesment). Izquierda: unidad simple. Derecha: cuatro unidades funcionando en paralelo y conectadas a instrumentos periféricos (bombas, sensores, reservorios, etc.)
Copyright: Norman Ertych

También es possible conectar diferentes instrumentos de organ-on-chip para simular las interacciones entre órganos y tejidos, denominado multi-organ-chip (Figura 3). También existe la idea de simular y conectar varios de los órganos y tejidos del cuerpo humano. Esta idea se llama human-on-a-chip.

Las posibilidades son interminables y los científicos y científicas ya han demostrado que la combinación de un bronquio-on-chip con un hígado-on-chip se puede utilizar para investigar la toxicidad de sustancias inhaladas [4] Sistemas biológicos más complejos, como el sistema reproductivo femenino, también han sido simulados con éxito.[5] La combinación de diferentes sistemas de organ-on-chip para investigar la interacción entre diferentes células y órganos se llama multi-organ-chip.

Esquema que muestra como varios multi-organ-chip pueden ser usados de forma secuencial para simular el cuerpo humano
Figura 3: Instrumentos de organ-on-chip combinan cultivos celulares en dos dimensiones o en tres dimensiones, o explantes de tejidos, con dispositivos de microfluídica que pueden incorporar parámetros biológicos fundamentales como perfusión o fuerzas mecánicas. Cuando se combinan más de un organ-on-chip se contruye una multi-organ-platform integrando así la comunicación entre órganos y simulando el cuerpo humano.
Lida Ebrahimi

Otra ventaja importante de los organ-on-chip es que se pueden usar células de diferentes individuos, reflejando así la diversidad natural entre personas, lo que puede hacer posible el desarrollo de tratamientos personalizados.

Aunque los multi-organ-chip que hemos descrito permiten los estudios de órganos interrelacionados, todavía no se puede simular un organismo entero con exactitud. Por eso es importante entender que esta tecnología no va a poder reemplazar el uso de animales en un futuro cercano. Sin embargo, los cintíficos y científicas trabajan constantemente para mejorar la tecnología de organ-on-chip y desarrollar sistemas para hacer tests alternativos a los experimentos con animales y crear modelos para su uso en medicina personalizada. La mayoría de los investigadores y las investigadoras tienen recelos sobre el uso de animales en investigación, y tenemos que esforzarnos en protegerlos a la vez que intentamos encontrar métodos alternativoshttps://www.youtube.com/watch?v=QoNwU91NkYs

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References

[1] Warren HS et al. (2015) Mice are not men. Proc Natl Acad Sci U S A. 112:E345. doi: 10.1073/pnas.1414857111

[2] Russell WMS, Rex LB (1959) The principles of humane experimental technique. London, Methuen.

[3] Jackson EL, Lu H (2016) Three-dimensional models for studying development and disease: moving on from organisms to organs-on-a-chip and organoids. Integr Biol 8: 672–683. doi: 10.1039/c6ib00039h

[4] Schimek K et al. (2020) Human multi-organ chip co-culture of bronchial lung culture and liver spheroids for substance exposure studies. Scientific Reports 10:7865. doi: 10.1038/s41598-020-64219-6

[5] Xiao S et al. (2017) A microfluidic culture model of the human reproductive tract and 28-day menstrual cycle. Nat Commun 8:14584. doi: 10.1038/ncomms14584

Resources

  • Tour virtual por laboratorios participantes de la Red de Formación Internacional para el desarrollo de la technología organ-on-chip (EUROoC, International Training Network developing organ-on-chip technology).
  • Mira un video explicando los intrumentos de organ-on-chip filmado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pennsylvania (School of Engineering and Applied Science, University of Pennsylvania).
  • Leer mas sobre organismos modelo: Torti F (2017) Life models. Science in School 37:21-24.
  • Aprender mas sobre las etapas del desarrollo de medicamentos y los organ-on-chip con este video explicatorio.
  • Leer sobre como el diseño de medicamentos esta cambiando: Houlton S (2019) The changing technologies of drug design. Science in School 46:25–28.

Author(s)

Sarah Schmerbeck y Frank Schulze contribuyeron igualmente a este artículo.

Sarah Schmerbeck estudio bioquímica en la Universidad Libre de Berlín (Free University Berlin). Trabaja desarrollando sistemas de ensayo alternativos a los experimetnos con animales en el centro alemán para la protección de los animales de laboratorio (Bf3R por sus siglas en alemán),  que forma parte del Instituto Federal Alemán para la Evaluación de Riesgo (BfR por sus siglas en aleman).

Frank Schulze obtuvo en 2015 su doctorado en Biotecnología en la Universidad Técnica de Berlín (Technical University Berlin). Actualmente trabaja en el BfR/Bf3R desarrollando un bone-on-a-chip (hueso en un chip) como alternativa al uso de animales para el estudio de formación ósea durante la regeneración y el desarrollo.

Julia Scheinpflug es estudiante de doctorado en el BfR/Bf3R. Estudió biotecnología en la Universidad de Tecnología de Brandenburgo (Brandenburg University of Technology) y su principal interés son los métodos en ingeniería avanzada de tejidos e investigación con células madre. Actualmente trabaja en el desarrollo de organoides en tres dimensiones para crear un sistema de bone-on-a-chip (hueso en un chip).

Lida Ebrahimi tiene un máster en artes de la comunicación y diseño de la Universidad Bauhaus en Weimar. Desde 2018 trabaja como dibujante y técnica de animación y diseño gráfico en el BfR/Bf3R.


Review

Ester artículo ofrece una valiosa explicación sobre las necesidades y dificultades del uso de animales en la investigación científica y como los científicos y científicas han concebido nuevos instrumentos para reducir su uso.

Aunque puede que los estudiates estén familiarizados con el concepto de las 3Rs, puede que no lo estén con las formas en las que la ciencia está ayudando a conseguirlo. Este artículo muestra como  la tecnología de organ-on-chip se usa para desarrollar ensayos alternativos a los experimetnos en animales.

Este artículo es perfecto para debatir sobre los siguientes temas:

– Bioética: Hasta qué punto se debe evitar el uso de animales para investigación? (Relacionar con la teoría del conocimiento del Bachillerato Internacional y/o las asignaturas de ética)

– Progreso científico: ¿Cómo de fiables son los modelos de desarrollo científico? (relacionar con física y química).

– Interdisciplinariedad de la ciencia: ¿Hasta qué punto depende el progreso en investigación biológica de otras disciplinas como la ingeniería y las matemáticas?

Preguntas de comprensión:

¿Por qué los científicos tienen que usar animals para desarrollar nuevos medicamentos?

¿Cuáles son las preocupaciones mas importantes sobre el uso de animales en investigación?

Explica el principio de las 3Rs.

¿Cuáles son los beneficios más importantes del uso the organ-on-a-chip? Indica algunas de las limitaciones de su uso.


Germán Tenorio, Vicedirector –Líder del taller de Biología del Bachillerato Internacional, Colegio Alameda de Osasuna, España.




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