Cultivo de células madre humanas

Las células madre humanas son una gran esperanza para el campo de la medicina. En el futuro, se espera que permitan tratar una gran variedad de dolencias como, por ejemplo, las enfermedades neurodegenerativas. LabBag desarrollado por investigadores del Instituto Fraunhofer, es un sistema integral en forma de bolsa transparente que ofrece una forma económica, rápida y estéril de cultivar, diferenciar y congelar células madre. Los modelos de célula producidos se pueden usar en pruebas de toxicidad y desarrollo de fármacos. Después de probar con éxito el sistema, los investigadores presentaron un prototipo en la feria Medica en Düsseldorf, Alemania, del 13 al 16 de noviembre de 2017.

El minilaboratorio mide 150 mm de largo, 120 mm de ancho y 20 mm de alto. El tapón de rosca se fabrica utilizando impresión 3D. En la superficie interior superior de la bolsa se pueden apreciar los puntos hidrofílicos. Foto: Fraunhofer IST, Falko Oldenburg.

Numerosos científicos de todo el mundo buscan formas de curar enfermedades utilizando células madre. Estas células ofrecen un gran potencial para el desarrollo de nuevos tipos de terapias y fármacos. El material de la célula madre también tiene la clave para investigar enfermedades de una forma que antes no era posible. Pero, para que los investigadores consigan resultados relevantes y transferibles, necesitan una mayor cantidad de material celular con la que trabajar. Además, los últimos estudios indican que los modelos de células en 3D reflejan las condiciones del cuerpo humano con una gran precisión. La generación de estos agregados de células se produce principalmente en condiciones estériles, sobre soluciones de nutrientes en forma de gotas. En el futuro, este proceso podrá llevarse a cabo de forma más económica y fiable.

Como parte del proyecto LabBag, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica IBMT, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Superficies y Thin Films IST y el Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Procesos y Embalaje IVV han unido su experiencia para desarrollar un laboratorio en miniatura... en forma de bolsa de plástico. Dentro de esta bolsa, las células madre pluripotentes inducidas de humanos (ver cuadro), es decir, las células madre producidas de forma artificial, pueden crecer y formar agregados tridimensionales en un entorno estéril. La industria farmacéutica puede utilizar estas células como sistemas de ensayo específicos para pacientes o enfermedades, con fines de desarrollo de fármacos e investigación de ingredientes activos.

Hasta ahora, los agregados de células madre se generaban a través de robots alimentadores de pipetas (que son caros y tienen un alto coste de mantenimiento) o mediante pipeteo manual (que requiere mucho tiempo y trabajo). El pipeteo manual en placas de Petri requiere mucha práctica y siempre existe riesgo de contaminación.

El ‘laboratorio en una bolsa’ desarrollado por los investigadores del Instituto Fraunhofer tiene como objetivo reducir los costes de mano de obra y de materiales; de paso, aumenta considerablemente el rendimiento celular y la fiabilidad del proceso. Con sólo sacudir la bolsa transparente, en unos segundos se producen varios cientos de gotas colgantes de solución nutriente, de forma prácticamente automática. Las gotas funcionan como ‘minibiorreactores’ en los que se pueden formar agregados de células.

En primer lugar, se vierte en la bolsa la solución nutritiva que contiene las células madre. La bolsa se hace girar una vez y, a continuación, se devuelve a su posición inicial. Durante este proceso, las gotas quedan suspendidas en puntos hidrofílicos redondos. Las células se hunden en el fondo de las gotas, en donde se unen y se fusionan formando agregados 3D definidos. “Hemos recubierto la película de polímero de la bolsa con dos capas diferentes”, explica el doctor Michael Thomas, director de proyecto y científico del Fraunhofer IST, cuyo equipo se encarga del recubrimiento de la película de polímero. “Una capa base hidrofóbica e hidrófuga se encarga de que la solución nutritiva que contiene proteínas resbale sobre la superficie y no se adhiera a ella. Por su parte, la segunda capa contiene 150 puntos redondos hidrofílicos, cada uno con un diámetro de 5 milímetros. La solución queda atrapada en estos puntos, creando de ese modo las gotas”. Para funcionalizar la superficie de la película de una forma tan específica, los investigadores de Braunschweig utilizan procesos de plasma a presión atmosférica. En este método, al aplicar una tensión de corriente alterna se genera un plasma físico en el gas contenido entre dos electrodos. A continuación, este plasma se utiliza para tratar las superficies de una gran variedad de materiales.

Una de las características más sobresalientes de LabBag es que los modelos de célula resultantes se pueden congelar en la propia bolsa. A diferencia del pipeteo manual, no es necesario transferir material a un recipiente criogénico separado. La optimización de la criopreservación —es decir, la congelación de las células—, es competencia del Instituto Fraunhofer IBMT. Adicionalmente, este instituto se encarga de cultivar las células madre dentro del proyecto, además de caracterizar y analizar los agregados 3D. “Nos centramos en el crecimiento de células pluripotenciales inducidas (iPS), ya que pueden desarrollarse en cualquier célula del cuerpo, en cualquier tejido o en tipos específicos de tejidos. Y, a diferencia de las células madre embrionarias, no provocan controversias éticas”, comenta la doctora Julia Neubauer, bióloga del Fraunhofer IBMT. Las células madre adoptan formas y capacidades especializan que les permiten realizar determinadas tareas. Esa cualidad hace posible desarrollar fármacos específicos para pacientes concretos.

La doctora Neubauer y su equipo trabajan en la diferenciación de las células musculares del corazón. De hecho, ya han diferenciado con éxito las células iPS en células de tejido cardiaco.

Se pueden formar modelos de células 3D en las gotas colgantes. Foto: Fraunhofer IST, Falko Oldenburg.

Cada gota tiene un volumen de aproximadamente 20 microlitros, y el tamaño del modelo de células 3D es de unos 400 micrómetros. El tamaño de los agregados se puede ajustar variando el diámetro de los puntos en la superficie de la bolsa, con el fin de obtener distintos productos biológicos. En la actualidad, la doctora Neubauer y su equipo necesitan aproximadamente 72 horas para producir agregados en gotas colgantes. “Describimos nuestro LabBag como un minilaboratorio de GMP, donde ‘GMP’ es la abreviatura de buenas prácticas de fabricación, para lo cual cumple con todos los requisitos. La naturaleza cerrada y estéril del sistema hace que el riesgo de contaminación sea muy bajo. En último término, nos permite producir mejores modelos de células para la investigación de fármacos, lo cual evita los experimentos con animales”, recalca. El equipo tiene previsto integrar sensores para controlar el proceso.

El Instituto Fraunhofer IVV de Freising y su laboratorio de Dresde fueron los responsables de crear la bolsa. Se encargaron de elegir y desarrollar los materiales utilizados —incluidos los elementos de estanqueidad—, además del diseño de la bolsa y su tecnología subyacente. “Efectuamos un gran número de ensayos relacionados con cuestiones tales como la permeabilidad, la calidad del análisis microscópico, la biocompatibilidad y la resistencia a la temperatura y los productos químicos. Finalmente, nos decidimos por las películas de polímero. Con anterioridad habíamos identificado 15 grupos de polímeros y examinamos ocho de ellos”, comenta la doctora Cornelia Stramm, científica del Instituto Fraunhofer IVV, en Freising. Andrea Liebmann, del Fraunhofer IVV en Dresde, añade: “LabBag debía cumplir una larga lista de requisitos. Tenía que ser altamente transparente y conservar su forma de manera adecuada; debía ser sellable y apilable, y debía admitir procesos de esterilización y congelación criogénica. Además, la bolsa debía poder manipularse con una sola mano (apertura automática) y ofrecer un buen acceso para el intercambio de soluciones de nutrientes. Para dar respuesta a todos estos requisitos, desarrollamos un banco de ensayo parcialmente automatizado para producir las bolsas”. LabBag es un desarrollo rentable, que representa una alternativa interesante a los planteamientos tradicionales.

Se presentó un prototipo de esta bolsa desechable (en proceso de patente), en el stand conjunto del Instituto Fraunhofer en la feria Medica de Düsseldorf (pabellón 10, stand G05/H04), del 13 al 16 de noviembre del año pasado. El minilaboratorio GMP ofrece a la industria farmacéutica —y también a laboratorios pequeños sin tecnología de sala limpia— la oportunidad de desarrollar modelos de células de gran calidad para investigar fármacos sin altos costes de inversión.

Las células madre pluripotentes inducidas (iPS) son células que se generan de forma artificial mediante reprogramación. El término pluripotente hace referencia a que se pueden utilizar en el laboratorio para fabricar casi cualquier tipo de célula del cuerpo humano. Evidentemente, estas células tienen una gran importancia para la industria farmacéutica, ya que las empresas pueden probar fármacos potenciales para pacientes específicos, directamente en las células afectadas por una enfermedad dada.