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Organoides

La investigación biológica y los modelos de enfermedades recrean la complejidad de los tejidos reales

¿Qué son los organoides?

Los organoides son microtejidos multicelulares tridimensionales (3D) derivados de células madre que se han diseñado para recrear fielmente la compleja estructura y funcionalidad de órganos humanos como el pulmón, el hígado o el cerebro. Los organoides son multicelulares y muestran un elevado orden de autoensamblaje que permite una representación incluso mejor de respuestas e interacciones celulares in vivo complejas, en comparación con los cultivos celulares 2D tradicionales.

Existen tres definiciones distintas que diferencian un organoide:

  • Es un microtejido biológico 3D que contiene varios tipos de células.
  • Representa la complejidad, organización y estructura de un tejido.
  • Se asemeja al menos a algún aspecto de la funcionalidad de un tejido.

Los organoides están adquiriendo cada vez más importancia en los campos de la investigación del cáncer, la neurobiología, la investigación con células madre y el descubrimiento de fármacos, ya que permiten crear modelos mejorados de tejidos humanos. Los organoides, que se obtienen a partir de células madre, se pueden diferenciar en una gran variedad de tipos tisulares, como hígado, pulmón, cerebro, riñón, estómago e intestino. Puesto que estos microtejidos 3D recrean órganos in vivo, pueden proporcionar a los investigadores más información sobre los mecanismos de desarrollo y patológicos humanos. Por ejemplo, los investigadores pueden crecer los organoides a partir de células modificadas genéticamente para entender la vinculación de mutaciones génicas específicas con determinados trastornos genéticos. Los organoides también pueden facilitar el estudio de enfermedades infecciosas y de las interacciones huésped-patógeno. Por último, la posibilidad de usar organoides derivados de pacientes para cribados de fármacos y evaluaciones de la toxicidad permite a los investigadores hacer más avances en la medicina personalizada.

Flujo de trabajo general para el cultivo y cribado de organoides

Debido a la creciente complejidad de los organoides y otros sistemas celulares 3D, se necesitan técnicas más sofisticadas de adquisición y análisis de imágenes 3D para caracterizar con exactitud y eficiencia estos ensayos biológicos. Actualmente se utilizan con frecuencia sistemas automatizados de adquisición de imágenes confocales y software de análisis de imágenes 3D para ayudar a los investigadores a simplificar su flujo de trabajo y obtener resultados óptimos.

Ilustración del flujo de trabajo con organoides

Paso 1) Precultivo 2D

Los organoides proceden de células primarias (es decir, intestino, pulmón o riñón) o de células madre pluripotentes inducidas. Las células madre tienen la capacidad de diferenciarse y autoensamblarse para formar diferentes organoides específicos de tejido.

Paso 2) Desarrollo de organoides 3D

Normalmente, las células se mezclan previamente con Matrigel y se colocan gotas en una placa de 24 pocillos a temperatura ambiente. A continuación, las placas se llevan a un incubador para que se forme una “cúpula” sólida de gotas. Posteriormente se añade medio durante siete días o más para favorecer el crecimiento celular y la diferenciación en tejidos específicos (cerebro, intestino, pulmón, etc.). Los medios contienen proteínas de la matriz extracelular y factores de crecimiento, que podrán variar dependiendo del tipo de tejido que se esté desarrollando.

Paso 3) Cultivo de organoides

El cultivo de organoides es un proceso largo y puede incluir varios pasos con diferentes medios. Durante este proceso es necesario monitorizar (por imagen) la salud de las células, que normalmente se emplean para comprender la biología del desarrollo y los tejidos.

Paso 4) Monitorización y lecturas

Antes de realizar experimentos, los organoides deben monitorizarse y caracterizarse para garantizar que cuentan con la diferenciación y la estructura tisular adecuada. La adquisición de imágenes de alto contenido permite monitorizar y visualizar el crecimiento y la diferenciación de los organoides, la reconstrucción 3D de las estructuras, el análisis complejo de la estructura, la morfología y viabilidad celular de los organoides, así como la expresión de diferentes marcadores celulares.

Paso 5) Adquisición de imágenes confocales y análisis 3D

La adquisición de imágenes confocales y el análisis 3D de los organoides permiten la visualización y cuantificación de los organoides y las células que forman el organoide. Se podría utilizar la caracterización de múltiples descriptores cuantitativos de organoides para estudiar fenotipos de enfermedades y los efectos de compuestos.

Adquisición de imágenes confocales y análisis de imágenes 3D de organoides

Los organoides son muy útiles para la creación de modelos de enfermedades y para la evaluación de los efectos de compuestos. La adquisición y análisis automáticos de imágenes de organoides son importantes para la evaluación cuantitativa de cambios fenotípicos en los organoides, así como para incrementar el rendimiento de los experimentos y los cribados.

 

Adquisición de imágenes confocales y análisis de imágenes 3D de organoides

 

La adquisición de imágenes confocales, como el sistema ImageXpress® Confocal HT.ai con láseres de alto rendimiento y objetivos de inmersión en agua son especialmente útiles para capturar la complejidad de los ensayos biológicos 3D. A diferencia de los esferoides típicos, que tienen la apariencia de objetos sólidos y una penetración limitada de la luz, algunos organoides 3D, como los organoides pulmonares, tienen una apariencia hueca, con lumen o cavidades interiores, por lo que la luz puede penetrar más fácilmente, lo que permite adquirir imágenes “a través” de los microtejidos embebidos en Matrigel.

Análisis CME de organoides de vías respiratorias

Adquisición y análisis de imágenes de un modelo de organoide 3D. En este breve vídeo, Andy Bashford (científico de aplicaciones de imagen) muestra un gran ejemplo de un modelo de organoide de vías respiratorias 3D, junto con algunas formas interesantes de conseguir el máximo de este tipo de ensayo.

Las herramientas de análisis de alto contenido, como el software de análisis de imágenes MetaXpress o IN Carta, permiten la búsqueda y caracterización de múltiples objetos u organoides, en formato 2D (para un plano único, o imágenes de proyección máxima) o en formato 3D cuando el software conecta y reconstruye los objetos de planos múltiples en el espacio 3D. En los organoides se puede caracterizar el diámetro, volumen, forma, intensidad de marcadores específicos o la distancia a otros objetos.

Además, se pueden definir y medir células individuales, núcleos u orgánulos dentro de cada organoide. Esto permite contar las células vivas y muertas, o las células con un marcador específico, definiendo también los volúmenes y distancias entre los objetos. Se pueden contabilizar valores numéricos para cada organoide o promediar por pocillo.

Galería de imágenes de células de organoides de pulmón

Más información sobre la investigación con organoides

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    El cáncer implica cambios que permiten a las células crecer y dividirse sin respetar los límites normales, invadir y destruir los tejidos adyacentes y, finalmente, metastatizar a sitios distantes del cuerpo. Los esferoides de cáncer recrean el comportamiento del tumor de una forma mucho más eficiente que los cultivos celulares 2D estándar. Dichos modelos de esferoides 3D se están utilizando con éxito en entornos de cribado para identificar posibles tratamientos contra el cáncer.

    Los investigadores del cáncer necesitan herramientas que les permitan estudiar más fácilmente las complejas y a menudo poco comprendidas interacciones entre las células cancerosas y su entorno, e identificar puntos de intervención terapéutica.

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    Organoides cerebrales

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    Los organoides cerebrales son modelos de tejido 3D que representan una o más regiones del cerebro. Pueden superar las deficiencias de los modelos animales de cerebro y de cadáveres convencionales para producir resultados clínicamente relevantes.

    Los organoides cerebrales poseen un gran potencial para comprender el desarrollo del cerebro y las enfermedades neuronales. También se pueden utilizar para investigar trastornos genéticos y los efectos de compuestos. Sin embargo, captar la singularidad del cerebro humano requiere ensayos funcionales y sistemas de adquisición de imágenes de alto contenido.

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  • Organoides intestinales

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    Los organoides intestinales son modelos de tejido 3D que recrean estructuras en la luz intestinal y en el epitelio intestinal circundante.

    La composición y disposición de las células del epitelio hacen que los organoides intestinales sean útiles para estudiar la biología, regeneración y diferenciación de las células intestinales, así como fenotipos de enfermedades, por ejemplo los efectos de mutaciones específicas, el microbioma o los procesos inflamatorios.

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    Automatización del laboratorio para el flujo de trabajo de cribado de organoides

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    Nuestras soluciones de automatización de laboratorios cuentan con científicos e ingenieros para personalizar nuestros instrumentos y automatizar flujos de trabajo completos para cubrir las necesidades específicas de su ensayo, método o protocolo. Desde incubadores, manipuladores de líquidos y robótica para software y hardware personalizados, y con más de 35 años de experiencia en el sector de ciencias de la vida, puede contar con nosotros para suministrarle productos de calidad y proporcionarle asistencia en todo el mundo.

    Descubra cómo la automatización robótica de los flujos de trabajo con células y el análisis de imágenes basado en IA pueden ayudarle a desarrollar un flujo de trabajo completo para su proceso de desarrollo de organoides.

  • Organoides derivados de pacientes (tumoroides)

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    Los organoides de tumores derivados de pacientes o tumoroides son cultivos de células tumorales que se pueden generar a partir de pacientes individuales. Los tumoroides son herramientas muy valiosas para la investigación del cáncer, el desarrollo de fármacos y la medicina personalizada.

    La detección y tratamiento precoces son fundamentales para la tasa de supervivencia de las pacientes con cáncer de mama. Esto requiere el uso de modelos tumorales clínicamente relevantes para entender el mecanismo, analizar biomarcadores tumorales y realizar cribados de fármacos antineoplásicos. Los tumoroides de cáncer de mama proporcionan la plataforma para estudiar la fisiología del tumor y la respuesta a los tratamientos dirigidos.

    Descubra cómo analizar el crecimiento de tumoroides de cáncer de mama y la eficacia de los tratamientos antineoplásicos con soluciones de cribado de alto rendimiento y adquisición de imágenes de alto contenido:

    Más información sobre tumoroides de cáncer de mama derivados de pacientes 

    Organoides pulmonares (de pulmón)

    Organoides pulmonares (de pulmón)

    Los cultivos de organoides de pulmón son modelos de microtejido 3D que recrean las características morfológicas y funcionales de las vías respiratorias, como la secreción de mucosidad, el movimiento ciliar y la regeneración. Esta relevancia biológica permite el estudio de los mecanismos de reparación/regeneración en lesiones pulmonares y los cambios fenotípicos en enfermedades pulmonares. Los organoides de pulmón también se pueden utilizar para realizar evaluaciones de la toxicidad o análisis de fármacos.

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  • Esferoides

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    Los esferoides son estructuras 3D multicelulares que recrean las respuestas e interacciones de células in vivo. Pueden ser altamente reproducibles y adaptarse para el cribado de alto contenido. En comparación con las células adherentes cultivadas en monocapas 2D, se cree que las condiciones del crecimiento 3D reflejan más fielmente el entorno natural de las células cancerosas. La adquisición de mediciones a partir de estas estructuras más grandes implica la adquisición de imágenes desde profundidades (planos Z) diferentes dentro del cuerpo de esferoide y permite analizarlas en 3D, o colapsar las imágenes en un único stack 2D antes del análisis.

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    Investigación de células madre

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    Las células madre pluripotentes pueden utilizarse para estudios en biología del desarrollo o diferenciarse como fuente de células específicas de órgano y utilizarse para ensayos con células vivas o fijadas en portaobjetos o en placas multipocillo. El sistema ImageXpress tiene utilidad en todas las partes del flujo de trabajo de la investigación con células madre, desde el seguimiento de la diferenciación hasta el control de calidad y la medición de la funcionalidad de tipos de célula específicos.

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Recursos más recientes

Recursos para organoides

Vídeos y seminarios web

Enhance high-content 3D biology imaging with automated sample preparation

Mejora de los modelos 3D de enfermedades: Cribado fenotípico de alto rendimiento automatizado con una plataforma de “órgano en un chip”

Modelos de organoides emergentes: Traslación de la investigación básica al desarrollo de fármacos y medicina regenerativa

Aplicación y análisis de sistemas de organoides

Automatización del cultivo y adquisición de imágenes de alto contenido de organoides 3D para la evaluación in vitro de los efectos de compuestos

Introducción a los modelos 3D de tejidos humanos y adquisición de imágenes

Captación de la complejidad de la biología celular

Monitorización del desarrollo de organoides en organoides 3D de cerebro derivados de iPSC

Showcase de innovación de ISSCR 2021: Cultivo y adquisición de imágenes de alto contenido automatizados de organoides 3D de pulmón y cardíacos

Recorrido por el Centro de Innovación de Organoides

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Captación de la complejidad de la biología 3D: Organoides para la creación de modelos de enfermedades y la investigación de la toxicidad

Creación de modelos de enfermedad en el siglo XXI: Ensayos automatizados con organoides con adquisición de imágenes 3D

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Desarrollo de modelos tisulares de “órgano en un chip” de alto rendimiento para el descubrimiento de fármacos mediante adquisición de imágenes de alto contenido

Modelos tisulares relevantes a nivel fisiológico utilizando una plataforma de “órgano en un chip” de alto rendimiento

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