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(noticias nanowerk) Durante décadas, los científicos se han enfrentado a importantes desafíos en el desarrollo de modelos experimentales sólidos que imiten fielmente la biología del hígado humano. Las líneas celulares y los modelos animales convencionales a menudo no pueden replicar aspectos importantes de la estructura y función del hígado humano. Esta limitación ha obstaculizado el progreso en el esclarecimiento de las bases moleculares de la enfermedad hepática y la evaluación de nuevos fármacos y estrategias de tratamiento.
Ahora, investigadores de la Universidad de Tokio han desarrollado mejoras significativas en la tecnología de organoides hepáticos que combinan mejor su rendimiento y confiabilidad con el tejido hepático humano real. Sus mejoras se describen en un artículo publicado en Revista de biotecnología (“Establecimiento de una plataforma de cultivo celular para organoides hepáticos humanos y su aplicación para la investigación del metabolismo de los lípidos”) proporcionan mejoras importantes para el crecimiento, caracterización y modificación de organoides hepáticos, allanando el camino para diversas aplicaciones, desde la investigación básica hasta la medicina regenerativa.
El hígado realiza más de 500 funciones vitales, incluida la regulación de los niveles de glucosa, la desintoxicación y la producción de bilis, colesterol y proteínas sanguíneas. La inflamación crónica y el daño al tejido hepático son la causa de muchas enfermedades globales como la hepatitis, la cirrosis hepática y el cáncer de hígado. El desarrollo de métodos eficaces de prevención y tratamiento requiere sistemas modelo que repliquen aspectos sutiles de la fisiología del hígado humano. Sin embargo, las líneas celulares humanas HepG2 y HepaRG y los modelos animales comúnmente utilizados difieren significativamente del comportamiento del hígado humano. Aunque las células primarias del hígado humano conservan su funcionalidad ex-vivosu disponibilidad limitada y su corta vida útil limitan su uso rutinario.
Aquí es donde entran en juego los organoides hepáticos. Los organoides son cultivos de tejidos tridimensionales en miniatura que se autoorganizan a partir de células madre en versiones de órganos pequeños. Su fisiología corresponde en gran medida a la del tejido original. Los organoides intestinales curaron la inflamación del colon en ratones regenerando el tejido del colon durante el trasplante. La posibilidad de cultivar organoides hepáticos a partir de células madre pluripotentes inducidas por humanos sugirió un potencial similar para modelar y tratar enfermedades hepáticas. Sin embargo, para hacer realidad esta promesa, hubo que superar obstáculos al crecimiento, análisis y manipulación de organoides.
Los avances del equipo de la Universidad de Tokio en tres frentes hacen ahora de los organoides hepáticos una plataforma práctica para estudiar la biología del hígado humano. En primer lugar, diseñaron células L de ratón para que secretaran continuamente una mezcla personalizada de cuatro factores de crecimiento esenciales: R-espondina 1, factor de crecimiento de hepatocitos (HGF) y factores de crecimiento de fibroblastos 7 y 10. El medio condicionado de estas células podría producir células madre pluripotentes. Las células expanden los organoides del hígado humano derivados de células y tejido primario en múltiples pasajes. Esto eliminó la necesidad de complementar los cultivos con costosas proteínas recombinantes.
A continuación, los investigadores descubrieron que cambiar entre dos medios diferentes podría controlar el crecimiento de los organoides frente a la maduración. El medio de expansión que contenía factores de células L expandió los organoides estimulando la proliferación de células madre del hígado. Por el contrario, el cambio a un medio de diferenciación detuvo el crecimiento y aumentó la producción de proteínas hepáticas maduras, como la albúmina. Esta capacidad de cambiar entre estados proliferativos y funcionales permitió una caracterización detallada de las características hepáticas de los organoides.
Fundamentalmente, los organoides exhibieron varias características fisiológicas que no están presentes en los modelos tradicionales. En respuesta a la insulina, activaron la señalización de la insulina y la síntesis de lípidos. Expresaron receptores nucleares funcionales que controlan el metabolismo. Cuando se les alimentó con un exceso de ácidos grasos, acumularon gotitas de lípidos en el citoplasma, tal como lo hacen los verdaderos hepatocitos. En particular, secretaron lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL), cuya densidad era idéntica a la del hígado humano. Esto contrasta marcadamente con los modelos de ratón, que no pueden secretar VLDL adecuada, y con las células HepG2, que liberan principalmente partículas de lipoproteínas más densas. La secreción adecuada de VLDL es vital porque su desregulación causa aterosclerosis. Los organoides del hígado finalmente proporcionan una plataforma para descifrar los mecanismos de este importante proceso específico del ser humano.
Al final, el equipo se dio cuenta de que la conversión a corto plazo de organoides en una monocapa bidimensional permitía una transducción lentiviral altamente eficiente de genes exógenos. El retorno de las células transducidas al cultivo 3D dio como resultado organoides que expresaron de manera estable las construcciones introducidas. Como prueba de concepto, utilizaron este enfoque para sobreexpresar perilipina 2, lo que, como se esperaba, aumentó la acumulación de lípidos. Esta metodología ahora abre la puerta a diversos estudios de caracterización funcional y edición de genes.
En conjunto, estos avances brindan a investigadores de muchas disciplinas herramientas mejoradas para descubrir secretos de la biología del hígado humano utilizando modelos organoides. También acercan la posibilidad de modelar enfermedades personalizadas mediante la obtención de organoides a partir de células madre pluripotentes inducidas adaptadas al paciente. Con trabajo adicional para optimizar la maduración de organoides, los investigadores ven un gran potencial para aplicaciones que van desde la detección de toxicidad de fármacos hasta hígados bioartificiales. Al hacer que los organoides sean más fisiológicamente completos y experimentalmente manejables, este estudio ayuda a posicionarlos como un pilar de la investigación sobre el hígado en los próximos años.
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