Los organoides son modelos tridimensionales (3D) compuestos de células que pueden autoorganizarse para formar tejidos u órganos similares a los tejidos u órganos vivos. La autoorganización o autoensamblaje, se refiere a la información genética que poseen las células para diferenciarse, crecer y organizarse. Con estas instrucciones pueden formar distintas capas o patrones celulares para llevar a cabo las funciones de un tejido u órgano [1].
Para crecer organoides se utilizan células troncales (comúnmente conocidas como células madre) pluripotenciales o células troncales adultas. Estos sistemas 3D pueden imitan el desarrollo humano o la regeneración de tejidos u órganos in vitro (que crece fuera del cuerpo, típicamente en una caja Petri o frasco en el laboratorio)[1].
¿Por qué son importantes los organoides?
El uso de modelos animales para estudiar la biología humana es de gran valor. Sin embargo, los modelos animales no pueden recapitular plenamente las condiciones del cuerpo humano y tienen muchas limitaciones [2-4]. Muchas terapias que se estudian en animales, no son capaces de reproducir los mismos resultados en ensayos clínicos humanos, probablemente debido a las diferencias en los mecanismos biológicos entre humanos y otros animales [3,5].
Las células cultivadas en el laboratorio en una monocapa (una capa de células que crece en una caja Petri o frasco), han sido fundamentales para el estudio de la fisiología molecular y celular humana [2,4]. El cultivo de células en un ambiente controlado, asegura la reproducibilidad y consistencia de la información obtenida en experimentos [6]. Sin embrago, una superficie plana, como las cajas Petri, no son condiciones “normales” para las células y no reproducen las condiciones 3D del cuerpo humano.
Por esto se han creado cultivos celulares 3D que proporcionan un microambiente que recapitula las complejas interacciones entre células y la matriz extracelular en la que crecen [2,4]. Existen muchas estrategias de ingeniería de tejidos para la construcción de modelos 3D in vitro. Algunas estrategias utilizan andamios de materiales naturales o sintéticos, que imitan la matriz extracelular, a los que se les añaden células [7]. Otros métodos modulan la diferenciación celular, crean patrones y manipulan la arquitectura de los andamios o matriz para obtener modelos más reproducibles. Este es el caso de la bioimpresión 3D, un método de depósito controlado de células y biomateriales [4].
Otras estrategias, como los organoides, utilizan la habilidad de las células de autoorganización o autoensamblaje. Estos métodos presentan ventajas sobre otros métodos debido a la alta organización y densidad celular logradas, acerándolos más a la configuración de un tejido en el cuerpo humano [4].
Los organoides pueden entonces proveer información valiosa sobre los mecanismos del desarrollo y generación de tejidos, y así comprender mejor la regeneración tisular. También son valiosos para usarlos como modelos de enfermedades, en la industria farmacéutica o en la medicina regenerativa [1].
¿Qué ventajas tienen los organoides frente a otros modelos biológicos?
Los organoides son relativamente fáciles de crecer y mantener. No requieren costos elevados como el manejo de animales y tienen mayor semejanza con la fisiología humana. En la siguiente tabla (traducida de Kim et al., 2020) se comparan los organoides contra otros modelos animales o celulares y se muestran sus ventajas.
Traducción de la descripción de la tabla: “Los organismos modelos que más se utilizan en la investigación biomédica son Caenorhabditis elegans (nematodo), Drosophila melanogaster (mosca de la fruta), Danio rerio (pez cebra) and Mus musculus (ratón), junto con los xenoinjertos (injerto de tejido que proviene de una especie diferente a la especie del receptor) derivados de pacientes (PDX por sus siglas en inglés). Estos modelos, junto con los cultivos celulares en 2D (monocapa) y los organoides (3D) se comparan en esta tabla por sus beneficios y limitaciones relativos. Las puntuaciones relativas esta representadas como las mejores en verde oscuro, buenas en verde claro, parcialmente adecuado en amarillo y no adecuado en una cruz roja”.
¿Qué tipos de organoides existen?
Se han producido organoides intestinales, gástricos, hepáticos, renales, pulmonares, cerebrales, vasculares, prostáticos, pancreáticos, endometriales, entre otros. El tipo de organoide depende de las señales químicas, como los factores de crecimiento que estimulan el crecimiento de las células, y del microambiente en el que crecen. Algunos ejemplos de los tipos de organoides y las señales químicas que se utilizan se ilustran de la siguiente imagen (traducida de Kim et al., 2020).
Organoides cerebrales
- Fotografías de organoides cerebrales obtenidas de la página del laboratorio de Lancaster del MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge.
- Imagen de caja Petri obtenida Servier Medical Art por Servier que tiene licencia bajo Creative Commons Attribution 3.0 Unported License
Referencias
- Kim, J., B.-K. Koo, and J.A. Knoblich, Human organoids: model systems for human biology and medicine. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2020. 21(10): p. 571-584.
- Hopkins, A.M., et al., 3D in vitro modeling of the central nervous system. Progress in Neurobiology, 2015. 125: p. 1-25.
- Kirwan, P. and F.J. Livesey, Human Stem Cell Models of Neurodevelopmental Disorders. The Genetics of Neurodevelopmental Disorders, 2015: p. 239.
- Zhuang, P., et al., 3D neural tissue models: From spheroids to bioprinting. Biomaterials, 2018. 154: p. 113-133.
- Benam, K.H., et al., Engineered in vitro disease models. Annual Review of Pathology: Mechanisms of Disease, 2015. 10: p. 195-262.
- Antoni, D., et al., Three-dimensional cell culture: a breakthrough in vivo. International journal of molecular sciences, 2015. 16(3): p. 5517-5527.
- Guillotin, B. and F. Guillemot, Cell patterning technologies for organotypic tissue fabrication. Trends in biotechnology, 2011. 29(4): p. 183-190.