Historia de la investigación de organoides: Desde células de la esponja hasta órganos funcionales

Comencemos con una definición simple de un organoide que hace referencia a un conjunto tridimensional que contiene varios tipos de células que se disponen con unahistología realista, al menos en la microescala. Los organoides pueden formarse a partir de células humanas o animales, que pueden ser células diferenciadas, células madre o una mezcla de ambas.

El uso cada vez mayor de los organoides se ve impulsado por el rápido desarrollo de las derivaciones de las células madre y el deseo de reducir el uso de modelos animales. Los organoides ya se están utilizando para comprender los métodos de desarrollo de la enfermedad, la neoplasia (cáncer), que tienen importantes aplicaciones médicas e industriales (p. ej., toxicología) y, en última instancia, para el trasplante. Kerry Grens, autor de The Scientist Magazine, nombró a los organoides como uno de los “avances del año”.1 Los organoides ya se han desarrollado para representar muchas partes diferentes del cuerpo humano, y se espera que las aplicaciones crezcan en los próximos años.

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Historia de la investigación de organoides...

Los organoides 3D están innegablemente en el centro del modelo de la enfermedad y del descubrimiento de los fármacos. Dado que estos cultivos celulares se autoorganizan en grupos y se diferencian en tipos celulares que componen un órgano funcional, son mucho mejores para simular condiciones in vivo.

Curiosamente, la idea de los organoides no es nueva. La tecnología de los organoides de hoy en día es el producto de décadas de investigación. De hecho, los cimientos del concepto se remontan a principios del siglo XX.

Aquí hay un breve resumen de la historia de los organoides y cómo los dispositivos moleculares se encontraron un lugar en la cronología con sus soluciones de investigación de organoides extensivas.

Antes de la célula madre: Autoorganización y reagrupación

La autoorganización de las células fue observada por primera vez por Henry Van Peters Wilson en 1907. Mientras realizaba una investigación para la oficina pesquera de EE. UU., descubrió que, en determinadas condiciones, las células de esponja silíceas se degeneran en masas indiferenciadas de tejido que, a su vez, podrían autoorganizarse y diferenciarse en esponjas perfectas.2 Este experimento ha demostrado que las células contienen la información para crear una estructura multicelular sin pistas externas ni la necesidad de una disposición anatómica específica.

Durante las décadas siguientes, otros grupos de investigación observaron patrones de disociación-reagrupación similares con organismos rentables y bien estudiados, como pronéfonos anfibios (riñón primitivo) en 19443y células de pollito embrionarias en 1960.4 Estos experimentos mostraron que la autoorganización observada por Wilson también se produce en modelos vertebrados.

La primera teoría científica para la regeneración de las células apareció en 1964 cuando Malcolm Steinberg planteó la hipotética de que las células se autoorganizaban de acuerdo con “la termodinámica mediada por la adherencia diferencial de la superficie”.5 Propuso que las celdas que expresan el mismo “sistema adhesivo” se adherían más entre sí que las celdas que expresan diferentes sistemas adhesivos. Por lo tanto, las mezclas celulares se reagruparían en función de su tipo “adhesivo”. Sin embargo, las pruebas posteriores demostraron que la reagrupación de la celula requiere más que una simple termodinámica y requiere mecanismos celulares adicionales.

Antes de la célula madre: Autoorganización y reagrupación

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La importancia de la matriz extracelular (ECM)

Los años 80 vieron importantes avances en la investigación de los organoides, ya que las interacciones entre la matriz y la célula se investigaron en el contexto del desarrollo de los organoides.

Para evitar que el cultivo de células se contaminara con el plato de plástico, los investigadores comenzaron a utilizar andamios, hidrogeles que imitan el MEC natural. Y lo que es más importante, un MEC proporcionaría a la célula las proteínas necesarias para indicar la adherencia y la diferenciación.

En 1987, Li et al. resaltaron la importancia de la MEC, que utilizó el material de MASS (Engelbreth-Holm-Swarm) de las células de sarcoma de ratón, consistente en las proteínas adhesivas que se encuentran comúnmente en la MEC humana. Usando el medio de MASS, podrían hacer que el etilen seno se convierta en conductos y conductos 3D totalmente formados, que mostraban secreciones de la proteína de la leche.6

Shannon et al. utilizaron la misma estrategia de MEC para demostrar la diferenciación funcional de las células epiteliales alveolares de tipo II.7

Investigación de células madre

Antes del desarrollo de las células madre, la formación de organoides humanos dependía del uso de fragmentos de tejido aislados de personas. La investigación con células madre prosperaba simultáneamente en los años 80. Por ejemplo, los investigadores podrían aislar por primera vez en , células madre pluripotentes de embriones de ratón1981.

El desarrollo de las primeras líneas de células madre embrionarias humanas (Thomson et al 1998) y posteriormente de líneas de células madre pluripotentes inducidas por personas (hiPSC) fue fundamental para impulsar el interés en la investigación de los organoides. Y lo que es más importante, la hiPSC se puede diferenciar en una variedad de tipos de células en un medio acondicionado con factores8 de crecimiento específicos que proporcionan los materiales de partida para el crecimiento de organoides a escala. El momento temporal también fue importante para crear organoides. Estas observaciones fueron más que suficientes para llevar las células madre a la primera línea de la investigación de organoides.

Células madre pluripotentes inducidas (iPSC)

Una célula madre pluripotente inducida, también llamada célula iPS o iPSC, es una célula tomada de tejido adulto, generalmente derivada de células de la piel o de la sangre, y modificada genéticamente de nuevo a un estado pluripotente similar a un embrión. Desarrolladas por primera vez a partir de células de piel de ratón por el equipo de Shinya Yamanaka en la Universidad de Kioto, Japón en 2006,9 las células iPS eran prometedoras en el campo de la medicina regenerativa.

Las células madre pluripotentes pueden propagarse o autorrenuevarse indefinidamente y pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula adulta en el cuerpo, como las neuronas o las células del corazón, pancreáticas e hepáticas. Y, dado que las iPSC pueden derivarse directamente de tejidos adultos, pueden fabricarse de forma emparejada con el paciente, lo que significa que se pueden crear importantes modelos celulares relacionados con la enfermedad portadores de un gen mutado, que puede evaluar la eficacia del fármaco o la sensibilidad al fármaco de un paciente individual puede probarse en células derivadas del paciente. Potencialmente, cada persona podría tener su propia línea de células madre pluripotentes que ofrece una única fuente de células para reemplazar el tejido dañado del corazón o del hígado. Imagínese iPSC generados a partir de células sanguíneas que podrían crear nueva sangre libre de células cancerígenas para un paciente con leucemia, o de neuronas para tratar los trastornos neurológicos.

Célula de tallo: Moderno Organoid Research

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Después de la célula madre: Moderno Organoid Research

El aislamiento de las células madre aceleró la investigación de los organoides y abrió muchas puertas. Los organoides derivados de las células madre fueron mucho más efectivos en la monitorización de la respuesta inmune que las biopsias de los pacientes, lo que significa que fueron mucho más perceptivos para el modelo de la enfermedad.

En 2008, Sasai et.al sentó las bases de los organoides del encéfalo al demostrar la autoorganización de las iPSC del encéfalo humano en las células nerviosas que formaban los tejidos corticales polarizados.10

2009 fue otro año significativo para la investigación de los organoides actuales. Sato et al. demostraron por primera vez que las células madre adultas (ASC) intestinales podían autoorganizarse y diferenciarse para formar estructuras de cripta-vilos que contenían todos los diferentes tipos de células intestinales.11

Tres años más tarde, el mismo laboratorio de investigación también plantó las semillas de la terapia de las células madre al demostrar la trasplantibilidad de los organoides intestinales en un colon de ratón dañado. Los organoides trasplantados podrían integrarse completamente en el colon de ratón con éxito sostenido incluso después de seis meses.12

Aspectos principales de los organoides modernos

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La investigación de los organoides modernos se amplió rápidamente durante la década anterior para incluir varios modelos de órganos y enfermedades. Estos son algunos puntos importantes:

Imagen de la Organoides Celulares

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Investigaciones de Organoides en Dispositivos Moleculares

A lo largo de la última décadas, los avances en el desarrollo de los organoides se han disparado, generando organoides más complejos y reales que nunca. Inevitablemente, las técnicas de imagen y análisis deben mantenerse al día con los avances continuos. A medida que los tipos de muestra cambian de modelos de celda 2D a 3D, los métodos tradicionales no tendrán los resultados de alta calidad y se adquirirán rápidamente.

Los dispositivos moleculares se esfuerzan por hacer que la investigación de los organoides sea mucho más factible mediante la incorporación de una tipificación automática, imágenes de alto contenido y técnicas de análisis avanzadas en una plataforma de alto rendimiento. Esta plataforma nos ha permitido automatizar los flujos de trabajo para una amplia variedad de operaciones, como la generación de células madre, la tipificación de organoides, la selección de fármacos y la evaluación de la toxicidad, en varios tipos de organoides, desde los pulmonares hasta los cerebrales.

Centro de Innovación de Organoides
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La mejor parte es que no necesita ser experto en estas soluciones. El nuevo Organoid Innovation Center de Molecular Devices es un centro colaborativo en el que puede probar flujos de trabajo automáticos para el cultivo y la selección de organoides, con la orientación de los científicos internos.

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Referencias

  1. Grens, K. "Los grandes avances de 2013 en la ciencia. The Scientist, Nueva York ( 2013): 110.Grens, K. "Los grandes avances científicos de 2013. The Scientist, Ciudad de Nueva York (2013): 110.
  2. Wilson, H. V. "Un nuevo método mediante el cual las esponjas pueden ser criadas artificialmente". Ciencia 25,649 ( 1907): 912-915.Wilson, H. V. "Un nuevo método mediante el cual las esponjas pueden criarse artificialmente". Ciencia 25,649 (1907): 912-915.
  3. Holtfreter, Johannes. "Estudios de experimentación sobre el desarrollo de los pronéfonos". Rev. puede. biol. 3 (1943): 220-250.Holtfreter, Johannes. "Estudios experimentales sobre el desarrollo de los pronéfonos". Rev. lata biol. 3 (1943): 220-250.
  4. Weiss, Paul y A. C. Taylor. "Reconstitución de los órganos completos a partir de suspensiones unicelulares de embriones de garbanzos en etapas avanzadas de diferenciación". Procedimientos de la Academia Nacional de las Ciencias de los Estados Unidos de América 46,9 ( 1960): 1177.Weiss, Paul y A. C. Taylor. “Reconstitución de órganos completos a partir de suspensiones unicelulares de embriones de pollito en etapas avanzadas de diferenciación”. Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América 46,9 (1960): 1177.
  5. Steinberg, Malcolm S. "El problema de la selectividad adhesiva en las interacciones celulares". Membranas celulares en desarrollo. Vol. 22. Academic Press New York, 1964. 321-366.Steinberg, Malcolm S. "El problema de la selectividad adhesiva en las interacciones celulares". Membranas celulares en desarrollo. Vol. 22. Academic Press New York, 1964. 321-366.
  6. Li, Ming Liang, et al. "Influencia de una membrana base reconstituida y sus componentes en la expresión genética de la caseína y en la secreciones en las células epiteliales mamarias de ratón". Procedimientos de la Academia Nacional de las Ciencias 84,1 ( 1987): 136-140.Li, Ming Liang, et al. “Influencia de una membrana basal reconstituida y sus componentes en la expresión génica de la caseína y la secreción en las células epiteliales mamarias de ratón”. Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias 84,1 (1987): 136-140.
  7. Shannon, John M., Robert J. Mason y Susan D. Jennings. "Diferenciación funcional de las células epiteliales de tipo II in vitro: efectos de la forma de la célula, las interacciones entre la matriz y las células." Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Investigación de células moleculares 931,2 ( 1987): 143-156.Shannon, John M., Robert J. Mason y Susan D. Jennings. "Diferenciación funcional de las células epiteliales alveolares de tipo II in vitro: efectos de la forma celular, interacciones entre la matriz celular e interacciones entre células". Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Investigación de células moleculares 931,2 (1987): 143-156.
  8. Martin, Gail R. "Aislamiento de una línea celular pluripotente a partir de embriones de ratón prematuros cultivados en un medio acondicionado por células madre de teratocarcinoma". Procedimientos de la Academia Nacional de las Ciencias 78,12 ( 1981): 7634-7638.Martin, Gail R. "Aislamiento de una línea celular pluripotente de embriones de ratón tempranos cultivados en medio acondicionado por células madre de teratocarcinoma". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias 78,12 (1981): 7634-7638.
  9. Takahashi K, Yamanaka S (agosto 2006). "Inducción de células madre pluripotentes a partir de cultivos de fibroblastos embrionarios de ratón y adultos por factores definidos". Celda. 126 (4): 663–76.Takahashi K, Yamanaka S ( de agosto de 2006). “Inducción de células madre pluripotentes de cultivos de fibroblastos embrionarios y adultos de ratón por factores definidos”. Celda. 126 (4): 663–76.
  10. Eiraku, Mototsugu, et al. "Construcción autoorganizada de tejidos corticales polarizados a partir de ESC y su manipulación activa por señales extrínsecas". Células madre 3,5 ( 2008): 519-532.Eiraku, Mototsugu, et al. “Formación autoorganizada de tejidos corticales polarizados a partir de ESC y su manipulación activa mediante señales extrínsecas”. Célula madre celular 3,5 (2008): 519-532.
  11. Sato, Toshiro, et al. "Las células madre Lgr5 individuales construyen estructuras de criptas in vitro sin un nicho mesenquimal". Naturaleza 459,7244 ( 2009): 262-265.Sato, Toshiro, et al. "Las células madre Lgr5 individuales construyen estructuras de vellosidades criptográficas in vitro sin un nicho mesenquimatoso". Naturaleza 459,7244 (2009): 262-265.
  12. Yui, Shiro, et al. "El prendimiento funcional del epitelio del colon se expandió in vitro a partir de una sola célula madre Lgr5+ en un solo adulto". Medicamento de la naturaleza 18,4 ( 2012): 618-623.Yui, Shiro, et al. "El injerto funcional del epitelio del colon se expandió in vitro a partir de una única célula madre Lgr5+ adulta". Medicina natural 18,4 (2012): 618-623.
  13. Unbekandt, Mathieu y Jamie A. Davies. "La disociación de los riñones embrionarios seguida de la reagrupación permite la formación de los tejidos renales". Riñonero internacional 77,5 ( 2010): 407-416.Unbekandt, Mathieu y Jamie A. Davies. "La disociación de los riñones embrionarios seguida de la reagrupación permite la formación de tejidos renales". Riñón internacional 77,5 (2010): 407-416.
  14. Lancaster, Madeline A., et al. "Los organoides CEREBRALES modelan el desarrollo del encéfalo y la microcefalia humanas". Naturaleza 501,7467 ( 2013): 373-379.Lancaster, Madeline A., et al. “Los organoides cerebrales modelan el desarrollo cerebral humano y la microcefalia”. Naturaleza 501,7467 (2013): 373-379.
  15. Lee, Joo-Hyeon, et al. "Diferenciación de las células madre de los miembros del cuerpo en los ratón dirigida por las células endoteliales a través de un eje BMP4-NFATc1-thrombospondin-1". Celda 156,3 ( 2014): 440-455.Lee, Joo-Hyeon, et al. “Diferenciación de células madre pulmonares en ratones dirigidos por células endoteliales a través de un eje BMP4-NFATc1-thrombospondin-1”. Celda 156,3 (2014): 440-455.
  16. Huch, Meritxell, et al. "Ampliación in vitro de células madre de Lgr5+ individuales inducidas por regeneración impulsada por Wnt". Naturaleza 494,7436 ( 2013): 247-250.Huch, Meritxell, et al. “Expansión in vitro de células madre hepáticas Lgr5+ individuales inducidas por la regeneración impulsada por Wnt”. Naturaleza 494,7436 (2013): 247-250.
  17. Greggio, Chiara, et al. "Los nichos tridimensionales artificiales deconstruyen el desarrollo del páncreas in vitro". Desarrollo 140,21 ( 2013): 4452-4462.Greggio, Chiara, et al. "Los nichos tridimensionales artificiales deconstruyen el desarrollo del páncreas in vitro". Desarrollo 140,21 (2013): 4452-4462.

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