Avanzando en modelos celulares: desarrollo de un chip que simula la barrera epitelial intestinal

Dentro de las ciencias de la salud, tanto el sector farmacéutico como el alimentario conocen la exigencia de demostrar científicamente la funcionalidad de los nuevos productos (fármacos, alimentos, ingredientes, suplementos etc.) que surgen en respuesta a las nuevas necesidades de la población. Este hecho, junto con el requisito de reducir, refinar y reemplazar el empleo de animales de experimentación, nos impulsa a mejorar los modelos in vitro de digestión y absorción intestinal para que se asemejen más al contexto fisiológico in vivo. Ante esta creciente y compleja problemática, se requieren modelos optimizados que puedan predecir la cantidad biodisponible de los principios activos, así como su efecto biológico, tras su ingesta.

En este artículo avanzamos nuestros trabajos en I+D orientados al desarrollo de un modelo in vitro que simula la barrera epitelial intestinal para que sea más representativo de las condiciones fisiológicas que se dan in vivo. Tras finalizar con éxito el DIALFARMA, nace el DIALFARMA-2 en el que se optimizarán los sistemas integrales in vitro de simulación de la digestión gastrointestinal y la absorción intestinal.

DIALFARMA-2, dentro del PROGRAMA PROYECTOS DE I+D EN COOPERACIÓN CON EMPRESAS ha sido concedido por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) con co-financiación de la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). Su principal objetivo es optimizar el sistema integral in vitro de simulación de la digestión gastrointestinal y la absorción intestinal existente en AINIA, con el desarrollo de un dispositivo que incluirá el co-cultivo de distintos tipos celulares y la microfluídica, con el fin de reproducir de un modo más fiable el contexto fisiológico.

Mejoras del nuevo dispositivo propuesto – mimetizando la barrera epitelial intestinal

En el anterior proyecto DIALFARMA se consiguió desarrollar un equipo de digestión dinámica in vitro más avanzado en la representatividad del aparato gastrointestinal, incorporando la anatomía gástrica, el patrón de contracción gástrico y dividiendo el intestino en sus 3 partes: duodeno, yeyuno e íleon. Actualmente vamos un paso más allá en la mejora del sistema celular que simula la barrera epitelial intestinal.

La superficie del tracto gastrointestinal está revestida por distintas células epiteliales que establecen una barrera defensiva efectiva, mediante uniones intercelulares y secreciones mucosas, entre el medio interno y el medio externo, impidiendo el paso de sustancias potencialmente nocivas. Sin embargo, esta barrera epitelial también es responsables de la absorción de nutrientes y fármacos, por lo que se requiere una barrera semipermeable que permita el paso selectivo a ciertas sustancias, mientras que evite el acceso a otras. Esta compleja barrera epitelial intestinal se intenta reproducir in vitro desde hace más de 30 años debido a su importancia en el sector de las ciencias de la salud.

El cultivo celular in vitro reproduce tejidos fuera de su sistema natural en un microambiente creado artificialmente. La línea celular intestinal humana más empleada para representar la barrera epitelial intestinal es la Caco-2. Esta línea celular se puede diferenciar en el laboratorio, de modo que se ha demostrado que expresa las características morfológicas y bioquímicas típicas de los enterocitos del intestino delgado, formando microvellosidades y expresando los receptores de membrana responsables del transporte de la mayoría de los compuestos bioactivos.

Durante el transcurso de los años, este modelo monocelular de barrera epitelial empleando Caco-2 se ha optimizado. Entre los cambios introducidos destaca el empleo de otra línea celular al cultivo inicial, una línea celular secretora de moco, mejorando el modelo actual que se emplea en el laboratorio debido a la influencia de las mucinas en la absorción de ciertos compuestos. Sin embargo, su principal limitación sigue siendo la falta de estímulos dinámicos. En los modelos estáticos estos estímulos no pueden reproducirse, por lo que las diferencias entre este sistema estático y la realidad dinámica y compleja en el cuerpo humano siguen siendo una limitación en la reproducibilidad de estos modelos.

Nace así una tendencia al empleo de modelos organ-on-a-chip.

Estos dispositivos pueden ofrecer a las células humanas en cultivo un entorno relevante a partir de dispositivos microfluídicos, intentando reproducir el ambiente dinámico de nuestro cuerpo, ofreciendo mejores predicciones a lo que sucede in vivo.

Estas distintas consideraciones indicadas se han tenido en cuenta en el diseño del nuevo proyecto DIALFARMA-2, en el que se pretende ofrecer una nueva herramienta en el campo del cultivo celular desarrollando un prototipo completamente funcional basado en chips desechables que, con la ayuda de la microfluídica y la combinación de distintos tipos celulares, consiguen generar un ambiente biomimético de la barrera epitelial intestinal.

De esta forma se está trabajando en realizar un intestino en un chip, empleando distintos tipos celulares y en el que se pretende obtener un ambiente dinámico más apropiado incorporando los estímulos biológicos necesarios para comportarse de una forma más similar a como lo hacen en el cuerpo humano. Así, se espera que un flujo dinámico pase a través de los microcanales de estos chips, donde se habrán cultivado células propias de la barrera intestinal, que recrearán las estructuras tridimensionales similares a la vellosidad que se puede encontrar en el intestino.

Importancia de la metodología in vitro. Principio de las 3Rs en investigación

En los últimos años hay una tendencia a investigar en la mejora e innovación de metodología in vitro debido al principio de las 3Rs.

El empleo de modelos animales no solo es más costoso y lento, observando en muchas ocasiones discrepancias debidas a las diferencias sustanciales entre animales, también tiene asociada una controversia debida a cuestiones éticas. Quizá es más común conocer el principio de las 3Rs aplicadas a la ecología, sin embargo, este principio también se puede aplicar a la investigación. De hecho, el principio de las 3Rs fue introducido hace más de 60 años y establece los estándares aceptados para investigar con animales. Estos principios han sido respaldados e incorporados de una manera responsable en las prácticas de todos los científicos y forman parte de las leyes nacionales e internacionales que regulan el uso de animales en procedimientos científicos.

Las 3Rs son:

1. Reducción, empleando métodos que ayuden a reducir el número de animales que se usan en experimentos;
2. Refinamiento, empleando métodos que ayuden a minimizar cualquier dolor o angustia y mejoren el bienestar animal;
3. Reemplazo, empleando métodos que eviten o ayuden a reemplazar el uso de animales (para más información, ver la página National Centre for the Replacement, Refinement & Reduction of Animals in Research (NC3Rs) Animal Research). Los métodos in vitro que se emplean en AINIA y que se siguen optimizando, no solo ayudan a reemplazar el uso de animales de experimentación, sino que también, en caso de ser necesaria la metodología in vivo, acotan el número de pruebas a realizar, reduciendo el número de animales que se emplearán.

La difusión de la I+D propia de AINIA está apoyada por IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial).