BioTech
Soluciones de microfluidos 'Body-On-Chip' para aprovechar la impresión 3D
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La necesidad de mejores modelos de laboratorio corporal
Encontrar y probar nuevos medicamentos es siempre un proceso complejo y costoso. Históricamente, dependía totalmente de probar los nuevos productos en animales y humanos.
Más recientemente, se han utilizado pruebas in vitro para ver qué podría hacer un nuevo fármaco potencial en tipos de células específicas.
Sin embargo, la relevancia de los estudios in vitro siempre es incierta, ya que todo el cuerpo, animal o humano, es muy diferente de un simple cultivo celular. Una sustancia química anticancerígena podría ser absorbida por el intestino, procesada en una nueva molécula por el hígado y tener efectos inesperados en el cerebro. Ninguno de estos procesos se identificará correctamente con solo un cultivo de células cancerosas.
Esto está lejos de ser sólo una cuestión académica, ya que muchos fármacos potenciales fracasan en la fase I de los ensayos clínicos, revelando problemas de seguridad que los estudios en animales e in vitro no lograron identificar con suficiente antelación.
Esto, a su vez, cuesta mucho dinero y aumenta el coste de futuros medicamentos que salvarán vidas.
Fuente: Puerta de la investigación
Afortunadamente, una nueva tecnología podría estar viniendo al rescate, con una simulación mucho más precisa de un cuerpo completo en entornos de laboratorio.
Órgano en un chip
El “cuerpo en un chip”, también llamado “humano en un chip” o sistemas microfisiológicos, busca replicar total o parcialmente un cuerpo con cultivos celulares.
Para ello, conecta varios órganos in vitro en miniatura (“órgano en un chip”).
Fuente: La Universidad de Harvard
Organo en un chip es una tecnología que utiliza microfluidos para suministrar nutrientes al cultivo celular, creando una simulación realista de la difusión de nutrientes y fármacos en un órgano real.
Por ejemplo, esto puede crear un modelo de “vía aérea en un chip” que simule cómo funcionan las vías respiratorias humanas, así como modelos de intestinos humanos, riñóns, o médula ósea.
Del órgano en un chip al cuerpo en un chip
Al combinar múltiples sistemas de órganos en un chip, se pueden comenzar a crear partes de un cuerpo completo y considerar adecuadamente el proceso biológico que realizaría un fármaco en un paciente real.
Esto puede implicar mecanismos biológicos tan diversos como la respuesta inmune, la absorción de fármacos en el intestino, los pulmones o los vasos sanguíneos, la contracción muscular, la metabolización hepática, etc.
Fuente: La Universidad de Harvard
Una vez más, esto es crucial, ya que la mayoría de los efectos de los medicamentos (positivos y negativos) solo pueden entenderse si se tienen en cuenta las reacciones de muchos órganos diferentes a ellos.
Diseños de cuerpo en chip
No todos los cuerpos en chips son iguales y existen muchos diseños diferentes para el órgano en chip que se utiliza para construir todo el sistema. Cada uno tiene sus propias ventajas y los investigadores médicos lo utilizan de manera diferente.
Una forma de categorizarlos es por el tipo de célula y tejido utilizado. Algunos órganos en chips utilizan solo un tipo de célula (monocultivo), respaldado por microestructuras artificiales o capas de colágeno. Otros tienen múltiples tipos de células ensambladas, ya sea en esferoides o en estructuras tridimensionales más complejas.
Fuente: Nature.com
Otro método de categorización examina cómo se transfieren los fluidos hacia y entre los órganos en chips. Pueden compartir el mismo fluido ambiental o estar vinculados a través de un diseño personalizado de tubos que replican el sistema sanguíneo o linfático. El flujo de líquido puede ser continuo o controlado mediante transferencias de fluidos robóticas.
También pueden estar separados del líquido circulante de nutrientes y fármacos mediante una membrana porosa o una capa de células (endotelio).
Fuente: Nature.com
Como puedes imaginar, esta diversidad de diseños crea casi infinitas combinaciones posibles. Entonces, aunque ya son muy útiles, los investigadores apenas están comenzando a diseñar órganos en chips y cuerpos en chips y todavía están experimentando para encontrar el equilibrio óptimo entre réplicas perfectas, confiabilidad y costos de producción.
Mercado de órganos en chips
El órgano en chip es una nueva tecnología que recién ahora está alcanzando la madurez suficiente para salir del laboratorio de investigación y entrar en el proceso de desarrollo de fármacos. En 2023, era un mercado de 103 millones de dólares.
estimaciones puestas El mercado de órganos en chips ascenderá a 303 millones de dólares para 2026, y el rápido crecimiento resultante de la sustitución de las pruebas con animales sitúa una estimación para 2027 en 529 millones de dólares.. Otros pronósticos lo ven creciendo a 1.4 millones de dólares en 2032, multiplicando por más de 10 en 8 años.
La carrocería en chip es aún más reciente y se beneficiará enormemente de la innovación tecnológica para mejorar su rendimiento y confiabilidad y reducir costos.
Aplicaciones de cuerpo en chip
farmacocinética
Una característica clave de los fármacos que influye profundamente en su eficacia y posible toxicidad es la farmacocinética. En términos más sencillos, se refiere a la rapidez con la que el fármaco se difunde en el organismo y en los tejidos de cada órgano individualmente.
Esto es difícil de predecir en papel o en modelos informáticos, ya que depende de cómo reaccionarán los intestinos, el torrente sanguíneo y los órganos ante una sustancia química específica.
Para ello se requieren cuerpos en chips lo más completos posible, en los que el punto de entrada del fármaco varíe según se administre por vía oral (estómago e intestinos), en aerosoles (pulmones) o por vía intravenosa (torrente sanguíneo).
Fuente: Nature.com
Medicina personalizada
Otra gran promesa del cuerpo en chip es el potencial de la medicina personalizada. Cada vez más, los investigadores y las nuevas empresas de biotecnología buscan desarrollar medicamentos no sólo para “humanos” en su conjunto, sino adaptados a subcategorías (sexo, ascendencia, edad, perfil genético, etc.) hasta llegar al paciente individual.
Gracias a su alta replicabilidad, ausencia de riesgos para la salud y menor costo, pueden reemplazar ventajosamente muchos ensayos clínicos para perfeccionar un fármaco en las primeras etapas de desarrollo.
Por ejemplo, podrían ayudar a identificar candidatos a fármacos alternativos cuando surjan problemas de seguridad, especialmente si el problema sólo afecta a una subpoblación específica.
Fuente: Nature.com
Inicialmente, los cuerpos en chips tendrán que demostrar su superioridad sobre los estudios in vitro y en animales existentes.
Sin embargo, el objetivo final será la replicación precisa de los ensayos clínicos in vivo con pacientes.
En un futuro aún más lejano, podríamos imaginar que se podrían utilizar cuerpos en chips que contuvieran las propias células del paciente para predecir de antemano la reacción a diversos medicamentos y determinar el mejor método terapéutico.
Impresión 3D para ayudar a fabricar cuerpos en chips
Los órganos reales son estructuras tridimensionales complejas con una intrincada mezcla de diferentes células y tejidos.
Para que el órgano en chip que constituye el cuerpo en chip completo simule de manera realista el proceso real, es necesario que el proceso de fabricación cree una réplica casi exacta de los tejidos de órganos reales. O, en el futuro, tal vez incluso órganos completamente desarrollados.
Esto sólo será posible gracias a una tecnología emergente llamada bioimpresión.
Reutiliza el principio clave de la impresión 3D: una boquilla es controlada por una computadora y deposita el material deseado en el lugar correcto, poco a poco. Pero en lugar de depositar plástico o metal, deposita células vivas.
La bioimpresión ha evolucionado en paralelo a la tecnología de órganos y cuerpos en chips, centrándose inicialmente más en resolver la dificultad tecnológica de "imprimir" con células.
Actualmente, la industria todavía depende principalmente de andamios artificiales para dar estructura a las células impresas. Sin embargo, se han logrado avances en la creación de órganos impresos en 3D que son más similares a los orgánicos.
Así, si el actual órgano en chip recrea en su mayor parte una plantilla de las múltiples capas que forman los tejidos de un órgano, su combinación con métodos avanzados de bioimpresión podría crear simulaciones aún más realistas.
Si desea leer para saber más, exploramos la bioimpresión en profundidad en nuestros artículos "Órganos a pedido: las mejores acciones para bioimpresión 3D" y "Una nueva técnica permite la impresión 3D de tejido cerebral funcional.
Empresas de bioimpresión y body-on-chip
1. Grupo BICO AB (BICO.ST)
En 2021, Cellink pasó a llamarse Grupo BICO, tras la adquisición de citona herramientas de automatización de laboratorio en 2019 y ciencia Herramientas de medición de microgotas de alta precisión en 2020.
Cellink sigue siendo la marca de la parte de bioimpresión del negocio.
Si bien no está solo en el campo, Cellink es claramente un fabricante de equipos de bioimpresión muy avanzado, enfocado en abastecer a investigadores en biotecnología y biomedicina.
A largo plazo, es probable que las empresas de bioimpresión evolucionen, pasando de proporcionar herramientas a investigadores a convertirse en proveedores de terapias de bioimpresión para pacientes de compañías farmacéuticas. Esto, a su vez, cambiará por completo el número de bioimpresoras en uso y, aún más importante, el volumen de consumibles vendidos mensualmente.
Este es el mismo proceso que ocurrió con otros fabricantes de equipos de biolaboratorios, incluidas las máquinas de secuenciación del genoma de PacBio (PACB) y Illumina (ILMN), que han acabado obteniendo el 80% de sus ingresos de ventas recurrentes de consumibles.
2. Órganovo
(ONVO )
La tecnología patentada de Organovo utiliza tejidos humanos impresos en 3D para imitar aspectos clave de los tejidos humanos reales, incluida la composición, la arquitectura, la función y la enfermedad.
Esto se utilizó para encontrar nuevas moléculas con potencial terapéutico. Al validar primero las moléculas potenciales en el modelo de tejido 3D, la compañía espera reducir el riesgo de fracasos en los ensayos clínicos, gracias a un modelo celular in vitro más realista antes de realizar cualquier prueba en humanos.
La línea de productos de Organovo se centra en la enfermedad inflamatoria intestinal (EII) y la fibrosis hepática, con un programa en fase 2/3 del ensayo clínico y otro en fase 1. Los resultados de la fase 2a POC se esperan para el segundo semestre de 2.
Fuente: Órganovo
En 2.1, hubo 2022 millones de casos en EE. UU. y 13 millones de casos en todo el mundo de colitis ulcerosa, una forma de EFI, lo que representa un mercado de 6.6 millones de dólares. También se espera que siga creciendo a una tasa compuesta anual del 6% hasta 2032, hasta alcanzar un mercado de 12 millones de dólares.
Como Organovo utiliza una simulación realista del tejido intestinal, con epitelio polarizado y capa intersticial, es probable que tengan una buena representación in vitro de cómo actuará su fármaco en un paciente.
Fuente: Órganovo
Es probable que a medida que el cuerpo en chip se convierta en una tecnología más madura, el enfoque de Organovo de utilizar tejidos humanos impresos en 3D será aún más probable que prediga problemas potenciales tempranos en el desarrollo de fármacos.
Esto, a su vez, debería ayudarle a acelerar el descubrimiento de fármacos y utilizar su capital de manera más eficiente que sus competidores que aún dependen de métodos más antiguos.
