Órganos en un chip Pruebas farmacológicas más rápidas gracias a la bioimpresión 3D y la automatización

Los modelos de tejido miniaturizados en chips microfluídicos pueden acelerar el desarrollo de nuevos medicamentos. Para ello, es fundamental contar con un proceso de fabricación automatizado, limpio y reproducible. Una colaboración entre Festo, la Universidad Técnica de Darmstadt y la startup Black Drop muestra cómo se pueden combinar la bioimpresión, la microfluídica y el transporte sin contacto para crear un proceso integral.

¿Imprimir órganos miniaturizados sin más? Lo que suena a ciencia ficción ya es una realidad: la bioimpresión 3D es una tecnología biomédica clave para la fabricación de tejidos vivos y órganos miniaturizados. En este proceso, las células biológicas se incrustan en los denominados hidrogeles. Esta mezcla se denomina «bio-tinta» y se va construyendo capa a capa, de forma análoga a la impresión 3D convencional. Las estructuras biológicas generadas de este modo pueden utilizarse en distintos campos de aplicación. El abanico abarca implantes biológicos en el ámbito de la medicina regenerativa, carne cultivada en laboratorio como alternativa a los alimentos de origen animal y modelos de órganos miniaturizados que pueden utilizarse para probar principios activos. Estos últimos son especialmente relevantes para la investigación biomédica. Cuando estos miniórganos se construyen sobre chips microfluídicos, se habla de «órganos en un chip» (Organs-on-a-Chip, OOC). Se prevé que, en el futuro, estos se utilicen como sistemas de ensayo más fiables en la investigación farmacológica.

Se prefiere el método «drop-on-demand» para los «órganos en un chip»

La bioimpresión 3D abarca diferentes tecnologías de impresión. El método «drop-on-demand» resulta especialmente adecuado para la fabricación de compuestos multimateriales y para imprimir pequeñas estructuras tisulares (por ejemplo, OOC) en chips microfluídicos. De forma similar a lo que ocurre con una impresora de sobremesa en la oficina, en este proceso de impresión sin contacto se expulsan gotas individuales de bio-tinta a una distancia determinada y se transfieren a la superficie sobre la que se va a imprimir. Este procedimiento destaca, en comparación con otros como la microextrusión o la estereolitografía, por la amplia gama de materiales en el rango de viscosidad baja a media, la tensión de empuje de la boquilla controlable y la transferencia de material sin contacto, lo que facilita la impresión en cavidades o superficies irregulares.

Mejores modelos para la cadena de desarrollo de fármacos

El desarrollo de nuevos medicamentos sigue un proceso de varias etapas, denominado «pipeline de descubrimiento de fármacos». Tras la identificación y optimización de candidatos a principios activos prometedores, se llevan a cabo ensayos preclínicos en cultivos celulares y en animales de laboratorio, antes de que comiencen los ensayos clínicos en seres humanos. Precisamente la transición de los modelos preclínicos a la aplicación clínica es crucial. Los cultivos celulares clásicos y los modelos animales solo reproducen de forma limitada la fisiología humana y, por lo tanto, su valor predictivo sobre la eficacia en personas es limitado. De cada cinco candidatos a fármacos que se prueban en seres humanos, solo uno, de media, tiene éxito y obtiene la autorización de comercialización. A los cuatro candidatos restantes se les denomina «late fails». Fracasan en una fase avanzada del proceso, después de que ya se haya invertido mucho tiempo y dinero.

Los «órganos en un chip» abordan precisamente esta laguna en el proceso de desarrollo. Combinan células humanas, estructuras tisulares tridimensionales y canales microfluídicos por los que se pueden hacer circular de forma controlada medios de cultivo y principios activos. De este modo se crean pequeños sistemas de ensayo similares a órganos que reproducen determinadas funciones de los tejidos humanos de forma más realista que los cultivos celulares estáticos o los ensayos con animales. En el desarrollo de fármacos, estos sistemas pueden ayudar a evaluar la eficacia y los efectos secundarios de forma más temprana y con mayor precisión. De este modo, se pretende que, en el futuro, los nuevos medicamentos se desarrollen más rápido y a un menor coste.

Estado actual de la técnica: prometedor, pero todavía muy manual

Hoy en día, los sistemas «organ-on-a-chip» se construyen principalmente en entornos de laboratorio especializados. En primer lugar, se prepara el chip microfluídico; a continuación, se introducen células o hidrogeles cargados de células mediante bioimpresión 3D. A continuación, se llevan a cabo otros pasos del proceso. Las estructuras impresas deben estabilizarse, los canales deben sellarse, debe introducirse el medio de cultivo y las células deben cultivarse en condiciones controladas. Además, para obtener modelos funcionales suele ser necesaria la perfusión, es decir, el lavado continuo de los canales con líquido.

En principio, esta cadena de procesos es posible, pero en la práctica sigue caracterizándose a menudo por pasos manuales. El personal del laboratorio coloca los chips, monta los elementos de cierre, conecta los sistemas de fluídica, inserta las cánulas o traslada los sistemas a entornos de incubación. Esto requiere experiencia y precisión, pero limita la reproducibilidad, el rendimiento y la escalabilidad. Es precisamente en esta intersección entre la viabilidad biológica y un proceso controlable a escala industrial donde se centra el trabajo de desarrollo conjunto de Festo, la Universidad Técnica de Darmstadt y Black Drop.

Un nuevo chip como núcleo de la cadena de procesos automatizada

El trabajo de desarrollo se centra en un chip microfluídico de nuevo diseño. No solo sirve de soporte para el futuro modelo de tejido, sino que, al mismo tiempo, constituye la interfaz central para la automatización. Sus estructuras de canales, superficies de sellado y conexiones para medios están diseñadas de tal manera que la impresión, el sellado, el llenado y el posterior cultivo puedan integrarse en una cadena de procesos continua y totalmente automatizada.El chip se basa en un colector unido por difusión con estructuras fluídicas precisas e integradas. Esto permite distribuir los medios de cultivo de forma controlada y diseñar el suministro a las células de manera específica. Para los «órganos en un chip», esta integración es decisiva. Solo cuando el tejido, los canales, las juntas, el conducto de los medios y las interfaces de proceso encajan entre sí, un conjunto celular impreso se convierte en un sistema de ensayo reproducible.

De la bioimpresión al sistema de ensayo cerrado

La bioimpresora deposita células vivas en el chip microfluídico mediante la tecnología «drop-on-demand». Las células están incrustadas en un hidrogel y se dosifican con precisión en gotitas muy pequeñas. A continuación, el material se reticula con luz ultravioleta para que la estructura impresa sea lo suficientemente estable para las siguientes etapas del proceso.

Tras la bioimpresión, se pasa del proceso de impresión abierto al sistema microfluídico cerrado. Los canales abiertos y la cámara con las células impresas se cubren con una plaquita de vidrio recubierta de silicona. De este modo se crea un espacio definido para el líquido, en el que las células pueden recibir nutrientes, ser perfundidas y cultivadas para pruebas posteriores.

Transporte sin contacto en el proceso

Un componente específico del trabajo de desarrollo es el transporte sin contacto del chip microfluídico. Para ello, el chip se coloca sobre un portador flotante, que se desplaza de una estación a otra gracias a la tecnología Supra-Motion de Festo. El sistema cinemático puede permanecer fuera de la sala limpia; el transporte se realiza sin contacto mecánico y sin arrastre de partículas. En aplicaciones de ciencias de la vida, esto facilita la limpieza, protege las muestras sensibles y favorece la fiabilidad de los procesos en entornos similares a las salas limpias.

Automatizar significa: hacer que las etapas del proceso sean controlables

La automatización no se limita a la impresión de las células. También abarca los pasos posteriores, que son fundamentales para el buen funcionamiento de un sistema «órgano en un chip». Entre ellos se encuentran el recubrimiento y sellado precisos del chip, la introducción del medio de cultivo, la preparación de la perfusión y el traslado seguro a un entorno de incubación. Son precisamente estos pasos, aparentemente secundarios, los que determinan si un modelo biológico puede seguir cultivándose de forma fiable.

En el proceso que se muestra, tres cánulas atraviesan una membrana de silicona para penetrar en el chip. Una cánula genera una presión negativa para mantener la plaquita de vidrio en su posición y sellar los canales de forma segura. A través de otras dos agujas se introduce el medio de cultivo. Una vez llenado, se retiran las agujas; los orificios se cierran por sí solos gracias a la propia membrana. A continuación, el chip puede pasar de forma estéril y segura a las siguientes etapas del proceso.

La reproducibilidad como requisito previo para una mayor difusión

Por lo tanto, la novedad de este trabajo de desarrollo no radica tanto en un paso concreto y aislado del proceso como en la integración de todo el flujo de trabajo. La bioimpresión, la fluídica, las juntas, el suministro de medios, el transporte, la tecnología de control y el software se combinan de tal manera que, a partir de una secuencia de operaciones manuales de laboratorio, se pueda crear un proceso automatizado y reproducible.

Para la tecnología médica y la investigación farmacéutica, esto supone un paso decisivo. Para que los sistemas «Organ-on-a-Chip» puedan utilizarse de forma más generalizada en el futuro, su fabricación y funcionamiento no solo deben ser biológicamente válidos, sino que también deben ser documentables, repetibles y escalables. La automatización reduce la variabilidad manual, estabiliza los parámetros del proceso y facilita la transición de estos sistemas de la investigación a la aplicación práctica.

Perspectivas: de la demostración a la aplicación

En el marco de la colaboración entre Festo, la Universidad Técnica de Darmstadt y Black Drop, se ha construido una planta piloto que, por primera vez, reproduce la fabricación automatizada de «órganos en un chip» como un proceso integrado. Ahora se prevé seguir investigando científicamente esta planta. La atención se centrará en la comprensión del proceso, la reproducibilidad, la calidad del modelo y la transferibilidad a diferentes aplicaciones. Partiendo de esta base, el siguiente paso consistirá en desarrollar un sistema comercial totalmente automatizado que acerque los «órganos en un chip» del entorno especializado de laboratorio a una aplicación más amplia en los ámbitos de la investigación, el desarrollo de fármacos y la biomedicina.

En este sentido, la integración de una cámara de cultivo (incubadora) y de sensores adicionales en línea para el control del proceso constituyen pasos decisivos en el desarrollo. De este modo se crea un entorno de proceso medible y estandarizable, lo cual es fundamental para futuros estudios de validación. La conexión del proceso de impresión con el cultivo celular previo supone un reto. Para poder aprovechar la planta automatizada a plena capacidad, las células deben generarse en cantidades suficientemente grandes y, a ser posible, transferirse automáticamente a la impresora. Por último, son relevantes los métodos de análisis posteriores al proceso, que supervisan la calidad de los modelos de tejido tras la impresión y durante el cultivo. Una vez implementados estos métodos, será posible la producción y el control de calidad totalmente automatizados de los OOC.