Entrevista Comprender el lenguaje eléctrico de los organoides

Numerosas enfermedades, no solo las intestinales, tienen su origen precisamente en el intestino. Por ello, es fundamental comprenderlo mejor. Mediante modernas técnicas de cultivo celular, los investigadores intentan ahora reproducir el intestino en toda su complejidad en un recipiente de cultivo (in vivo). Esto incluye también su «suministro de energía» y la medición de las señales de las denominadas células excitables.

Al oír el término «OriDarmi», uno piensa inmediatamente en el origami. ¿Qué tiene que ver su proyecto de investigación en la Universidad de Kaiserslautern con el arte japonés de doblar papel?

Prof. Dra. Monika Saumer: El origami consiste en crear un modelo 3D delicado y complejo a partir de una superficie plana mediante el plegado. Se pueden crear infinitas geometrías. En nuestro proyecto OriDarmi seguimos un procedimiento similar: fabricamos sistemas de electrodos en plano (sobre una oblea) y los desplegamos para formar una estructura tridimensional compleja, en la que cada pequeña geometría estructural es fundamental. Nuestra estructura tridimensional contiene más de 60 electrodos de oro, integrados en un armazón plástico de poliimida. Los sistemas de electrodos se han adaptado a cultivos complejos de organoides, réplicas de la mucosa intestinal inervada «en el tubo de ensayo», y permiten la captación de señales eléctricas y, por tanto, una especie de ECG intestinal. Hay que tener en cuenta que el intestino alberga una gran cantidad de células nerviosas y que estas son indispensables para su funcionamiento. Nuestros sistemas de electrodos permiten evaluar la actividad y el estado de salud de las células intestinales, así como su interacción dentro del conjunto celular.  De este modo, se pueden registrar, por ejemplo, los efectos de los medicamentos o incluso simular determinados cuadros clínicos.

Hasta ahora hemos desarrollado dos arquitecturas 3D para las distintas aplicaciones: una espiral que integramos en los cultivos celulares y una cesta con cuatro brazos que envuelve a los organoides. Sin embargo, nuestros sistemas 3D, incluidas las células intestinales, solo miden como máximo tres milímetros.

Se conocen numerosas enfermedades intestinales y otras afecciones que podrían estar relacionadas con el intestino. Por favor, mencione algunos ejemplos.

Además de las enfermedades inflamatorias intestinales, como la enfermedad de Crohn o la colitis ulcerosa, hoy en día se considera que la barrera intestinal, sobre la que influyen el microbioma y la alimentación, también puede ser responsable de la aparición de enfermedades metabólicas, como la diabetes mellitus, o de enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Parkinson. Además, este sistema también puede utilizarse para estudiar las influencias ambientales, el microbioma o las toxinas, que a menudo son factores desencadenantes de enfermedades o daños en los órganos.

¿Por qué resulta complicado analizar el funcionamiento de la pared intestinal en un organismo vivo y qué herramientas han desarrollado para poder estudiar mejor los procesos fisiológicos?

Para estudiar la aparición de la enfermedad y su tratamiento, se necesitan mediciones continuas durante un periodo prolongado directamente en el tejido intestinal vivo. Lo ideal sería, por supuesto, realizar estudios de la pared intestinal directamente en el cuerpo humano, lo cual sería posible desde el punto de vista técnico con un gran esfuerzo, pero no es viable desde el punto de vista ético. Por ello, recurrimos a mediciones en tejido intestinal cultivado en un recipiente de cultivo. Sin embargo, las sensibles células epiteliales intestinales no son fáciles de cultivar y pierden rápidamente su función en las condiciones clásicas de cultivo (en la placa de Petri).

Por ello, mediante técnicas modernas de cultivo celular, reproducimos tanto la barrera intestinal como la pared intestinal, con todos sus componentes —como las células epiteliales, inmunitarias y nerviosas— en un recipiente de cultivo (in vivo). Utilizamos, por ejemplo, material de biopsia humana para cultivar a partir de él cultivos tridimensionales de células intestinales, así como organoides.

Para poder captar señales celulares desde el interior de los cultivos celulares, así como desde toda la superficie de los organoides, es necesario colocar los electrodos precisamente en esos lugares. Por ello, diseñamos arquitecturas tridimensionales a partir de plásticos biocompatibles, que constituyen el material de soporte para los electrodos y sus cables de conexión, y en ellas integramos los electrodos conductores y los cables de conexión.

¿Cuáles son los mayores retos que deben superar para tener éxito?

En primer lugar, nos enfrentamos a dos grandes retos: uno biológico y otro técnico.
- El biológico: ¿lograremos cultivar tejido intestinal funcional en un recipiente de cultivo?
- El técnico: ¿cómo construiremos las arquitecturas 3D con microestructuras y nanoestructuras funcionales precisas (diseño, métodos de fabricación, materiales, superficies)?

Un tercer reto es la interdisciplinariedad. La biología y la medicina interactúan con la ingeniería eléctrica y de microsistemas. Debemos desarrollar la comprensión del «mundo» del otro y colaborar muy estrechamente. Solo así podremos conseguir que el tejido siga siendo funcional durante mucho tiempo y que podamos medir de forma fiable señales con la calidad suficiente.

A continuación, algunos detalles que hay que tener en cuenta: los sistemas de electrodos que se vayan a desarrollar deben rodear el organoide de forma flexible, sin destruir las células. Para monitorizar de forma simultánea y continua la calidad de la barrera, es necesario utilizar un enfoque basado en la resistencia eléctrica transepitelial (TEER). Para ello, es necesario introducir electrodos adecuados en el interior del tejido de forma lenta y con el menor daño posible. Además, se necesitan electrodos capilares adicionales que permitan aplicar medio de cultivo y otras sustancias en el interior de los organoides.

Para lograr una buena detección de señales es necesario desarrollar microelectrodos que, gracias a su forma y a las propiedades de su superficie, permitan un buen contacto con la membrana celular o que incluso puedan penetrar en el interior de las células.

¿Cómo se van a aprovechar concretamente los resultados del proyecto OriDarmi?

Nuestros avances permitirán obtener de forma fiable datos funcionales a partir de organoides y tejidos complejos. Pondremos a disposición de los médicos y biólogos investigadores dos herramientas de diagnóstico que podrán utilizarse para estudiar la génesis de las enfermedades y los tratamientos.

El principio fundamental de nuestro enfoque es la medición de señales de las denominadas células excitables. Además de las células nerviosas, estas incluyen también las células musculares. Por lo tanto, nuestros sistemas, desarrollados para el registro de las células nerviosas intestinales, podrán utilizarse en el futuro también para otras células excitables. Entre ellas se incluyen, además de otras células nerviosas del sistema nervioso central y periférico, las células del músculo cardíaco o las células del músculo liso de órganos huecos como el intestino y la vejiga.

Partimos de la base de que los resultados obtenidos, por ejemplo, en los estudios a largo plazo sobre principios activos, influirán en el desarrollo de nuevas opciones terapéuticas para el alivio o la cura de enfermedades.

Muchas gracias por la entrevista, profesora Saumer.