Entrevista: biorreactores y en superficie modificada andamios 3D para la Investigación de Células Madre

Me llamo Karlan y trabajo como biofísico en el Instituto de Interfases Biológicas. En el Instituto Tecnológico Cal Screw, desarrollamos biorreactores y andamios tridimensionales con superficies modificadas para el cultivo de tejidos funcionales y para la investigación con células madre; nuestro principal interés radica en la interacción de las células con su entorno artificial. Un editorial de Nature en 2003 planteó la pregunta sobre la biología plana, y surge entonces la interrogante: ¿qué se implica con esto?

En el pasado, muchos sistemas de cultivo in vitro, principalmente los cultivos en monocapa, presentaban la desventaja de que, por ejemplo, las células primarias diferenciadas tenían una vida útil relativamente corta y se desdiferenciaban durante el cultivo. Esto significa que perdían la mayor parte de sus funciones específicas del órgano de manera muy rápida. Por lo tanto, con el fin de reproducir condiciones más adecuadas para estas células in vitro, se han realizado muchas modificaciones y adaptaciones diferentes en los cultivos convencionales en monocapa.

Y esto incluye la composición del medio de cultivo y el recubrimiento de los recipientes de cultivo en los que las células forman predominantemente monocapas. Y todos estos enfoques indican la importancia de las interacciones entre la célula y la matriz, así como de la comunicación entre células. Otro aspecto importante parece ser el establecimiento de contextos específicos para la célula, que se logran, por ejemplo, mediante complejos de uniones en hendidura, que son una característica común de muchas células in vivo.

En cultivos convencionales en monocapa, la comunicación por uniones en hendidura se pierde rápidamente. Durante mucho tiempo, ha sido posible restablecer en cierta medida, in vitro, una organización de las células semejante a la de un tejido, mediante la denominada técnica de agregación esteroide.

Un ejemplo de nuestro laboratorio fue que pudimos demostrar que incluso los hepatocitos adultos de ru son capaces de formar esteroides y permanecen viables durante al menos semanas en estos agregados. Los hepatocitos permanecen en estrecho contacto entre sí, favoreciendo la comunicación celular que resulta en la estabilización de funciones específicas de los hepatocitos. Pero también descubrimos que esta técnica convencional de cultivo tridimensional presenta varias desventajas.

El tamaño del agregado es crítico. Pueden inducir necrosis con diámetros grandes de agregados, y en la mayoría de los casos, la relación entre el volumen del medio y el número de células es inadecuada. Además, las fuerzas de cizallamiento y los cultivos con agitación pueden ser problemáticos.

Los órganos y tejidos en los organismos vivos se caracterizan, entre otras cosas, por densidades celulares muy altas, y también el transporte activo dirigido de sustancias a través de estas capas tisulares es una característica importante. Por lo tanto, los modelos realistas de tejidos in vitro de tipo orgánico deben reconstruir lo más fielmente posible esta arquitectura natural. Y un determinante esencial para la limitación de dichos sistemas es la proporción adecuada entre el volumen de medio y el volumen celular.

Antes mencioné que diseñamos un alojamiento celular adecuado con forma de andamio polimérico microestructurado con precisión, que ofrece compartimentos de tamaño uniforme para el cultivo tridimensional de agregados celulares. Para el andamio polimérico, preferiblemente utilizamos PMMA o poliéter de policarbonato o policarbonato. Y esto consiste en un dispositivo plantar microestructurado de un centímetro cuadrado, que ofrece una matriz densa de más de 1000 de estos compartimentos.

Para el cultivo tridimensional de agregados celulares, se ha demostrado que es adecuado para el cultivo celular en 3D durante varias semanas. Y cada uno de estos pequeños contenedores cúbicos en la matriz tiene una longitud de arista de aproximadamente 300 micrómetros. El diseño especial de este andamio y de la periferia, es decir, la cámara de incubación.

El medio externo y el suministro de gas permiten diferentes modos de suministro de medio. Primero, la superfusión, lo que significa que ambos lados del tejido reciben por separado medio nutricional, y segundo, la perfusión.

Esto significa que el flujo medio se ve forzado a penetrar la capa de tejido. El modo de perfusión puede utilizarse para crear condiciones que imiten mejor la vascularización in vivo, aunque incluso es posible un modo mixto de perfusión y superfusión. Se han desarrollado diferentes generaciones de andamios celulares.

Cada generación puede utilizarse con un diseño determinado para satisfacer las necesidades de cualquier aplicación específica. Por ejemplo, se han construido diseños de biorreactores de barco sencillo y doble, así como arreglos de múltiples concentraciones independientemente direccionables o Variance altamente paralelizados. Como versiones ampliadas de la última generación de estas formas diferentes, para los denominados contenedores microtermoformados se ha desarrollado una tecnología determinada, que ofrece la posibilidad adicional de modificar toda la superficie de estos contenedores formados en 3D aquí descritos, permitiendo incluso un patrón superficial y la escala submicrométrica con moléculas señalizadoras.

Asimismo, se pueden incorporar sensores y electrodos de señal. Las aplicaciones abarcan desde la investigación básica y la biología celular hasta la toxicología y la farmacología, así como el cribado de alto rendimiento. Un punto muy importante al final es el hecho de que la última generación de nuestros chips microtermoformados ha sido optimizada para permitir procesos de producción masiva económica y, por lo tanto, su aplicación en otros laboratorios.