El dispositivo ofrece una poderosa herramienta para estudiar y tratar la diabetes y permite el modelado personalizado utilizando las propias células del paciente.

Usando un nuevo chip de bioingeniería combinado con monitoreo químico sincrónico, los investigadores demostraron que las contracciones musculares inducen la producción de insulina en las células pancreáticas. El llamado multi-órgano en chip podría ayudar a desmitificar la biología de la diabetes.

El estudio de la enfermedad y el desarrollo de fármacos se ha basado durante mucho tiempo en modelos celulares y animales. Los avances de la última década han resultado en modelos innovadores desarrollados con la esperanza de reemplazar o reducir el uso de modelos animales.

Los órganos en chips son microversiones de órganos humanos, generalmente encerrados entre dos capas de silicona o plástico. Si bien estos órganos en chips no son clones en miniatura literales del órgano específico, las células encapsuladas representan los aspectos biológicos, bioquímicos y mecánicos del órgano en el que se modelaron.

Los investigadores primero hicieron un pulmón en un chip hace más de una década, y ahora varios otros órganos tienen equivalentes en chips, incluidos el hígado, los riñones, los intestinos, el páncreas, el corazón e incluso el cerebro. Los investigadores pueden incluso utilizar estos sistemas para modelar el sistema inmunitario o enfermedades como el cáncer de mama.

Al colocar múltiples órganos en un chip, los científicos esperan estudiar la enfermedad y la eficacia de los medicamentos en el cuerpo humano como un todo.

Un gimnasio en un chip

En un estudio reciente, Javier Ramón-Azcón, investigador del Instituto de Bioingeniería de Cataluña en España, y sus colegas crearon un chip para probar cómo el ejercicio afectaría la producción de insulina utilizando dos tejidos diferentes: el músculo esquelético y las células pancreáticas.

En primer lugar, los investigadores desarrollaron dos cultivos celulares independientes que imitaban su disposición tridimensional natural. En consecuencia, las fibras del músculo esquelético crecieron hasta quedar suspendidas en una sustancia de soporte gelatinosa llamada matriz extracelular, y las células pancreáticas cultivadas emularon grupos esféricos de células secretoras de insulina llamadas islotes.

“La idea era hacer crecer y diferenciar ambos tejidos por separado en condiciones óptimas y solo ponerlos juntos en el último experimento”, explica Ramón-Azcón.

Ambos tejidos se juntaron en el casete delgado del dispositivo multiorgánico: el tejido muscular estaba en una cámara y las células pancreáticas en la otra. Las cámaras se conectaron a un canal lleno de líquido para crear un enlace químico entre los tipos de tejido. Un líquido rico en nutrientes fluyó desde un pequeño depósito hacia la cámara muscular, luego hacia la cámara pancreática, el sistema sensorial, y finalmente se desecha.

simular ejercicio

Para establecer un «modelo de entrenamiento» que imitara las contracciones o ejercicios musculares, los músculos esqueléticos recibieron una descarga eléctrica suave. Para hacer esto, la cámara de tejido muscular dentro del chip se equipó con pequeños electrodos. Con un estímulo eléctrico, las fibras musculares se contraerían.

Luego, el chip se conectó a un sistema de sensores. Este biosensor apoyó el monitoreo en tiempo real de dos moléculas diferentes: insulina, liberada por las células pancreáticas, y myokin interleukin-6, una sustancia química secretada cuando las células musculares se contraen.

Una vez que se completó esta configuración, los investigadores administraron una descarga eléctrica a las fibras musculares. Este estímulo desencadenó la liberación tanto de myokine como de insulina. “Pudimos monitorear la secreción de la miocina en tiempo real y descubrimos que cuando la contracción muscular se induce eléctricamente, la secreción se produce de inmediato”, dijo el primer autor del estudio, Juan Fernández-Costa.

La secreción de insulina por las células pancreáticas se registró después de un breve retraso. «Esperábamos cierta correlación entre el ejercicio y la secreción de insulina, pero no esperábamos un efecto tan fuerte sobre la secreción de insulina», dijo Ramón-Azcón.

Estudiar enfermedades multisistémicas como la diabetes.

Al integrar el chip de múltiples órganos con biosensores constantes y simultáneos, los investigadores pudieron observar la comunicación química entre las células musculares y pancreáticas en tiempo real. “Esta diafonía es una característica esencial porque abre la puerta al estudio de enfermedades multisistémicas como la diabetes y los efectos de los fármacos en diferentes tejidos”, dijo Ramón-Azcón.

Dichos chips de bioingeniería se acercan a replicar «la fisiología humana para una comprensión más profunda, pero también para la prueba de fármacos, acelerando tratamientos más efectivos y seguros en la fase clínica», dijo la coautora María Ortega.

Las iteraciones futuras del chip podrían incluir otros tejidos relevantes para comprender la diabetes, como el B. el hígado o el tejido adiposo, o tecnologías de sensores superiores. Pero a pesar de la promesa que supone para la comprensión de la biología de las enfermedades y la investigación clínica, el multi-órgano en chip todavía tiene algunos problemas que deben resolverse.

“El proceso de integración lleva mucho tiempo y requiere mucha [experts] trabajar en sincronía para que sea un éxito”, agregó Ortega.

Referencia: Juan M. Fernández-Costa, et al., Training-on-a-Chip: A Multi-Organ Device to Study the Effect of Muscle Training on Insulin Secretion in Vitro, Advanced Materials Technologies (2022). DOI: 10.1002/admt.202200873

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