Órgano en un chip
Desarrollo automatizado de modelos celulares de “órganos en un chip” de alto rendimiento utilizando la adquisición de imágenes de alto contenido y el análisis 3D
¿Qué es un órgano en un chip?
La tecnología “órgano en un chip” (OoC) utiliza técnicas de microfabricación para crear modelos en miniatura de órganos biológicos, como el pulmón, el corazón o el intestino, en un dispositivo del tamaño de un chip. Estos dispositivos microfabricados están hechos de células vivas que crecen en una plataforma a microescala y recrean la estructura y la función del órgano al que representan. Normalmente, las células están organizadas de forma que recrean la estructura tridimensional nativa del órgano y se perfunde con fluidos, como sangre o aire, para representar el entorno fisiológico del órgano.
La tecnología OoC se utiliza para crear modelos más exactos y fiables de los órganos y tejidos que puedan replicar mejor el complejo microambiente y las interacciones de las células de un órgano. Los modelos celulares 3D se pueden utilizar para el estudio de enfermedades, desarrollo de fármacos y toxicología de una forma más exacta y realista que los tradicionales cultivos celulares 2D.
Chip de cultivo OrganoPlate® 3-lane 64 y representación esquemática junto con una ilustración de un túbulo de células creciendo en un gel de MEC.
Cómo funciona la tecnología de “órgano en un chip”
La tecnología “órgano en un chip” generalmente consta de un material de polímero que se moldea con una forma que imita algunos aspectos de la morfología del órgano de interés. Posteriormente, se siembran las células sobre el chip y se las deja crecer y formar estructuras 3D funcionales que se asemejan a la composición celular y estructura de los tejidos. En algunos casos, el chip puede diseñarse para que incluya canales microfluídicos que recrean la microvasculatura de un órgano para proporcionar a las células el flujo de sangre u otras condiciones fisiológicas, como nutrientes y oxígeno.
Para tener una representación más realista del órgano de interés, se pueden combinar diferentes tipos de células para formar una estructura 3D; esto puede hacerse usando diferentes capas de células o mediante matrices a base de hidrogel para recrear la matriz extracelular del órgano. Se pueden aplicar diversas técnicas para recrear el microambiente mecánico, eléctrico y químico del órgano. Por ejemplo, el chip puede perfundirse con líquidos para proporcionar un flujo de sangre, o puede estimularse mecánicamente para simular las contracciones del corazón. Además, se pueden integrar sensores dentro del chip para medir parámetros como el oxígeno, el pH y la temperatura para monitorizar el estado de salud y la función de las células.
El chip se coloca en un incubador en el que se puede controlar el crecimiento de las células mediante diversas técnicas, como microscopía, adquisición de imágenes o ensayos bioquímicos. Una vez que el chip sea completamente funcional, los científicos pueden utilizarlo para el estudio de enfermedades, el desarrollo de fármacos y la toxicología de forma controlada y altamente reproducible. Esto se debe a que el chip puede utilizarse para recrear las mismas condiciones, de la misma forma, cada vez que se realiza un experimento, lo que permite a los científicos comparar datos de forma coherente entre diferentes experimentos y tratamientos.
Automatización del ensayo con “órganos en un chip” para el cribado de alto rendimiento
Aquí describimos un flujo de trabajo para la automatización del cultivo OoC, así como la monitorización y el análisis automático de células. El método automatizado utiliza una célula de trabajo integrada formada por varios instrumentos que permite la automatización y la monitorización del cultivo celular. El sistema de adquisición de imágenes de alto contenido permite la caracterización del desarrollo de modelos celulares 3D, así como el análisis de los efectos de compuestos. El sistema integrado incluye el sistema de adquisición de imágenes de alto contenido ImageXpress® Micro Confocal, un incubador de CO2 automatizado, un manipulador de líquidos (Biomek i7) y un robot auxiliar. Hemos desarrollado métodos para la automatización de la siembra de células y el cambio de medios, y para la monitorización del desarrollo y el crecimiento de la vasculatura 3D. Además, el método facilita el análisis automático de compuestos y la evaluación de los efectos tóxicos.
Vea la presentación del póster de OoC con Oksana Sirenko, científica sénior de aplicaciones, sobre cómo nuestras soluciones de adquisición de imágenes de alto contenido pueden ampliar la escala y automatizar la adquisición de imágenes 3D de sistemas de “órgano en un chip”.
Figura 1. En (A) se ilustra el diseño de los instrumentos individuales en la célula de trabajo. Los instrumentos se controlan mediante un software integrado (Green Button Go) que permite configurar los procesos. En (B) se muestra un ejemplo de proceso para monitorizar las células en cultivo. Aquí, las placas se trasladan desde el incubador al ImageXpress Confocal HT.ai para la adquisición de imágenes en campo claro y después se devuelven al incubador. El proceso puede planificarse y las placas de las que se tienen que adquirir imágenes se pueden introducir como una lista para hacer más fácil el procesamiento por lotes. También se pueden implementar rutinas más complejas que incluyan el manipulador de líquidos para el cambio de medios (alimentación).
Aplicaciones y ensayos con órganos en un chip
La combinación de esta compleja biología con las técnicas avanzadas de adquisición de imágenes de alto contenido y las funciones del análisis 3D de aprendizaje automático abren un nivel completamente nuevo de ensayos. Aquí compartimos nuestros métodos para la automatización del cultivo celular, ensayos y análisis que pueden proporcionar las herramientas necesarias para facilitar y aumentar la escala del uso de sistemas de “órgano en un chip”.