Modelos de enfermedades
Uso de estructuras celulares 3D para la realización de modelos de tumores, órganos y tejidos para acelerar la investigación translacional
¿Qué es la creación de modelos de enfermedad?
La creación de modelos de enfermedad es un aspecto fundamental de la investigación biomédica que abarca la creación de sistemas representativos que recrean el comportamiento de las enfermedades en un ambiente controlado. Estos modelos ayudan a los investigadores a obtener información sobre los mecanismos subyacentes de las enfermedades, probar la eficacia de posibles tratamientos y, en última instancia, allanar el camino para una mejor atención al paciente.
Los sistemas de modelos de enfermedad varían en cuanto a complejidad y escala desde cultivos celulares 2D hasta complejos organismos modelo. Mientras que los organismos modelo ofrecen un contexto in vivo, a menudo son costosos y pueden no ser representativos de la biología humana. Por otro lado, mientras que los sistemas de cultivo celular 2D tradicionales se han utilizado durante muchos años, estos presentan limitaciones a la hora de representar la compleja estructura tridimensional y las interacciones celulares que se encuentran en los tejidos vivos. Como resultado, los cultivos celulares 3D han surgido como un atractivo sistema de modelos de enfermedad.
Aprovechar los modelos celulares 3D para estudiar enfermedades humanas
Los modelos celulares 3D reúnen los aspectos clave de la complejidad de órganos y tejidos in vivo, lo que los convierte en idóneos para el estudio de enfermedades humanas. Además de ser más manejables a nivel experimental que los organismos modelo, los modelos 3D pueden derivarse de células humanas, por lo que son muy relevantes para el estudio de enfermedades humanas. Por ejemplo, los organoides de cerebro 3D obtenidos a partir de iPSC se pueden utilizar para estudiar las enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer y el Parkinson; los cardioides u organoides de corazón se pueden usar para estudiar enfermedades cardiovasculares, como la insuficiencia cardíaca, mientras que los organoides derivados de paciente (PDO) generados a partir de biopsias tumorales pueden servir como modelos de investigación oncológica para entender las respuestas a fármacos específicas del paciente y proporcionar opciones de tratamiento más eficaces.
Organoides derivados de paciente para la investigación de enfermedades y el descubrimiento de fármacos
Muchos fármacos oncológicos fracasan en las últimas etapas del proceso de desarrollo de fármacos y en los ensayos clínicos, a pesar de los datos prometedores sobre su eficacia in vitro. Esta elevada tasa de fracaso es atribuible en parte a la falta de modelos predictivos utilizados para el cribado de candidatos a fármacos en las fases iniciales del descubrimiento de fármacos. Por ello, existe la necesidad de desarrollar y utilizar modelos más representativos que se puedan modificar para analizar compuestos eficaces que permitan descubrir nuevas dianas terapéuticas.
Los modelos celulares 3D, específicamente los organoides derivados de paciente (PDO), ofrecen una solución prometedora para este problema. Las células que crecen en 3D pueden recrear mejor las interacciones entre células y el microambiente tisular, incluidos los nichos de células madre cancerosas. Los estudios revelan que los pacientes y los organoides derivados de ellos, responden de forma similar a los fármacos, lo que indica el valor terapéutico de usar los PDO para mejorar los resultados terapéuticos. Sin embargo, problemas como la reproducibilidad, la ampliación de la escala y el coste de los ensayos han limitado el uso de los PDO en los principales procesos de descubrimiento de fármacos.
Aquí mostramos nuestra investigación destacada sobre organoides de cáncer derivados de pacientes. Nuestros resultados revelan el potencial superior de los PDO en comparación con otros tejidos tanto en aplicaciones de descubrimiento de fármacos de alto rendimiento como en medicina de precisión cuando se utiliza automatización con la adquisición de imágenes de alto contenido y el análisis de datos de IA.
Tumoroides de cáncer de mama derivados de paciente
El cáncer de mama triple negativo es un subtipo de tumor clínicamente agresivo, con elevadas tasas de metástasis, recurrencia y resistencia farmacológica. Actualmente no existen tratamientos dirigidos con moléculas pequeñas clínicamente aprobados para esta enfermedad, destacando la necesidad crítica de descubrir nuevas dianas terapéuticas. Los modelos derivados de tumores primarios pueden reunir la heterogeneidad y morfología tumorales, así como su compleja composición genética y molecular, lo que acelera el desarrollo y el análisis de fármacos. En el presente estudio describimos la automatización de los métodos de cultivo celular y adquisición de imágenes que permite ampliar la escala de ensayos complejos con células 3D.
Organoides de cáncer colorrectal (CCR) derivados de paciente
En este póster, demostramos su utilidad en aplicaciones de alto rendimiento usando PDO de cáncer colorrectal (CCR). Los PDO tratados con fármacos antineoplásicos seleccionados a diferentes concentraciones se monitorizaron a lo largo del tiempo mediante la adquisición de imágenes de luz transmitida y se desarrolló un modelo de segmentación de la imagen basado en el aprendizaje profundo para analizar el tamaño, textura e intensidad de los PDO, así como otras lecturas morfológicas y fenotípicas. Nuestros resultados respaldan la eficacia del uso de los PDO listos para los ensayos para la realización de ensayos de alto rendimiento, como el cribado de compuestos.
Tipos de modelos de cultivo celular 3D relevantes para enfermedades humanas
Existen diferentes tipos de modelos celulares 3D empleados para crear modelos de enfermedad y el descubrimiento de fármacos, como esferoides, organoides y órgano en un chip. Cada tipo de modelo celular 3D tiene sus propias ventajas exclusivas y la elección de modelos 3D específicos depende de las necesidades específicas de investigación. Al emplear estos modelos celulares 3D relevantes para enfermedades humanas, los investigadores pueden estudiar los efectos de diferentes tratamientos en la progresión de enfermedades, identificar posibles candidatos a fármacos y entender los mecanismos de las enfermedades.
- Esferoides: los esferoides son agregados celulares que se autoensamblan en entornos específicos (p. ej., cuando se siembran en placas recubiertas con superficies de baja adherencia). Dependiendo del tipo de célula utilizado, el esferoide resultante puede constituir modelos de diferentes tejidos, como tejido hepático, de mama y pancreático o tejidos cancerosos específicos. Estos son el tipo más simple de modelo celular 3D, constituidos habitualmente por un único tipo de célula. Los esferoides tardan menos en crecer, por lo que es relativamente fácil trabajar con ellos. No obstante, carecen de la complejidad estructural que ofrecen otros modelos 3D. Pueden generarse a partir de células cancerosas o células madre pluripotentes inducidas (iPSC) y utilizarse para estudiar la progresión del cáncer, la resistencia a fármacos y la toxicidad.
- Organoides: los organoides son estructuras 3D que recrean la estructura y función de tejido u órganos específicos, como el cerebro, el riñón o el intestino. Pueden generarse a partir de iPSC o de células madre adultas y utilizarse para estudiar los mecanismos de enfermedades y analizar la eficacia de tratamientos diferentes. Al proceder de tejidos humanos, representan mejor la enfermedad.
- Organoides derivados de pacientes (o tumoroides): los organoides derivados de paciente (PDO) son estructuras celulares 3D cultivadas a partir de muestras tisulares tanto de tejido sano como enfermo, por lo que representan un “paciente en una placa”. Los PDO se asemejan mucho a la genética, la estructura y la heterogeneidad de los tipos celulares que se encuentran en el tejido del paciente. Esta mayor semejanza y capacidad de traslación mejorada hacen de los PDO un valioso recurso para la investigación de enfermedades y el desarrollo de fármacos.
- Órgano en un chip: estos modelos implican el uso de sistemas microfluídicos para simular las funciones de diferentes órganos, como el corazón, el hígado y el pulmón, en un único dispositivo. Se pueden utilizar para estudiar la progresión de enfermedades y analizar la eficacia de diferentes fármacos y tratamientos.
- Bioimpresión 3D: la bioimpresión es una técnica relativamente nueva que utiliza la tecnología de impresión 3D para crear estructuras biológicas complejas, como tejidos y órganos, a partir de células vivas y biomateriales. La bioimpresión ha surgido como una herramienta prometedora en la creación de modelos de enfermedad, ya que permite a los investigadores crear modelos precisos y reproducibles de sistemas biológicos complejos que se pueden utilizar para estudiar los mecanismos de la progresión de enfermedades y analizar la eficacia de diferentes tratamientos.
Aplicación e investigación de la biología 3D para la creación de modelos de enfermedad
El uso de modelos celulares 3D en la creación de modelos de enfermedad es un campo en rápido crecimiento que tiene un importante potencial para mejorar nuestro conocimiento de enfermedades complejas y acelerar el desarrollo de nuevos tratamientos. Molecular Devices está comprometido con avanzar en este campo y proporcionar a los investigadores las herramientas y tecnologías necesarias para realizar investigaciones punteras en biología 3D.
La combinación de esta compleja biología con las avanzadas técnicas de adquisición de imágenes de alto contenido, como las que permite el sistema ImageXpress Micro Confocal, abre un nivel completamente nuevo de ensayos. Un potente instrumento de adquisición de imágenes confocales automatizado equipado con funciones de análisis 3D de aprendizaje automático/IA puede permitir a los investigadores obtener resultados cuantitativos exactos y respuestas a sus preguntas más rápidamente y de forma sólida y escalable.