Bioreactores y tecnologías criogénicas para mejores pruebas de fármacos con cultivos celulares humanos

Criopreservación sin hielo ( vitrificación ) de sistemas celulares adherentes en el formato multicapa del «R2U-Tox-Assay». © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Diversos sistemas de biorreactores para cultivar células madre pluripotentes inducidas (iPSCs) en microportadores. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Various bioreactor systems for cultivating induced pluripotent stem cells (iPSCs) on microcarriers. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Cribado farmacológico y toxicológico in vitro en células neuronales. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Cribado farmacológico y toxicológico in vitro que involucra células neuronales. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Muchas innovaciones de compuestos medicinales fracasan porque, a pesar de las pruebas exitosas en laboratorio con cultivos celulares, aparecen efectos secundarios graves en los voluntarios. Esto puede suceder, por ejemplo, cuando las células utilizadas provienen de tejidos animales. Cultivos celulares especialmente preparados de tejido humano, conocidos como células hiPS, permiten pruebas más confiables y aumentan así la tasa de éxito en el proceso de aprobación. Investigadores del Fraunhofer han desarrollado soluciones innovadoras para la producción optimizada de células en biorreactores y técnicas de criopreservación únicas. Esto allana el camino para un uso eficiente y práctico de los cultivos celulares en pruebas de toxicidad y de compuestos activos.

Cuando en estudios farmacéuticos surgen efectos secundarios graves en los voluntarios al probar nuevos compuestos, los investigadores enfrentan un dilema. Muchas veces, el desarrollo de un compuesto prometedor debe ser detenido y el medicamento planeado no llega al mercado. Una causa del problema es que los compuestos generalmente se prueban con modelos de cultivos celulares in vitro basados en células animales o en experimentos con animales. En ambos casos, los resultados de las pruebas solo se pueden transferir de manera limitada a los humanos. Por lo tanto, existe el riesgo de que en los voluntarios puedan surgir efectos secundarios intolerables de repente.

La investigación médica tiene grandes esperanzas en las células madre pluripotentes inducidas humanas (células hiPS). Estas células provienen de tejido humano y, por lo tanto, permiten afirmaciones mucho más precisas sobre el modo de acción de las sustancias que los tests convencionales. Primero, se obtienen las células del tejido de la piel humana o de una muestra de sangre y se someten en el laboratorio a un proceso especial de reprogramación. Después, ya no están restringidas a un tejido específico, de ahí el término células madre pluripotentes. Para pruebas de compuestos, las células hiPS se pueden diferenciar posteriormente en casi todos los tipos celulares del cuerpo humano, es decir, diferenciarse. El riesgo de que en posteriores pruebas clínicas con humanos surjan efectos secundarios no deseados disminuye significativamente.

Biorreactor para la producción celular a gran escala

Las células necesarias para las pruebas se producen en biorreactores. Un equipo de investigadores dirigido por la Dra. Julia Neubauer, jefa del departamento de tecnologías de células madre y criogenia en el Instituto Fraunhofer para Tecnología Biomédica IBMT, ha logrado un avance decisivo en la proliferación y diferenciación de las células hiPS en el biorreactor. «Ahora es posible escalar el proceso de manera que en poco tiempo se produzcan grandes cantidades de células funcionales», dice Neubauer.

El desafío para los científicos del Fraunhofer en el proyecto conjunto «R2U-Tox-Assay» fue descubrir cómo reproducir de la mejor manera las condiciones ambientales naturales del cuerpo humano en el biorreactor, de modo que las células se multipliquen rápidamente sin perder su capacidad funcional. «Específicamente, para el biorreactor, desarrollamos y fabricamos una hidrogel elástica como soporte. Las células se sienten especialmente cómodas en ella y pueden multiplicarse bien. Con los parámetros elegidos, podemos producir cantidades relevantes para pruebas médicas de hasta varios miles de millones de células», explica Neubauer.

Con los modelos celulares obtenidos, que pueden diferenciarse en tejidos como músculo cardíaco, piel o células nerviosas, se pueden equipar los ensayos para la prueba y evaluación de la toxicidad de compuestos medicinales. Otra ventaja: dado que las células hiPS son humanas y contienen la información genómica del donante, también es posible realizar pruebas con nuevos compuestos para enfermedades genéticas específicas.

Carga rápida en el tanque de criopreservación

Otro problema para la investigación farmacéutica o clínicas universitarias es el almacenamiento y la disponibilidad de cultivos celulares. Aquí, los investigadores del Fraunhofer han aprovechado su experiencia de décadas en crioconservación de células.

La crioconservación en el IBMT del Fraunhofer es única en el mundo. Los modelos celulares cultivados en el biorreactor se enfrían en cuestión de segundos con nitrógeno líquido de aproximadamente +23 a -196 grados Celsius. Además, los investigadores del Fraunhofer han desarrollado una placa de cultivo celular especial en la que las células se cultivan inicialmente y luego se congelan. En combinación con el proceso de enfriamiento rápido, medios de congelación especiales evitan la formación de cristales de hielo en el tejido celular. Estos cristales dañarían el material y lo convertirían en una masa. «Conocen todos los que alguna vez han puesto fresas en el congelador», comenta Neubauer con una sonrisa.

Para describir el procedimiento correcto, la experta del Fraunhofer Neubauer y su equipo crearon un protocolo de criopreservación detallado. Establece parámetros como la velocidad de enfriamiento y los tiempos de exposición de los medios de congelación para las células específicas a conservar. El protocolo garantiza que las culturas celulares humanas sensibles, tras ser extraídas del recipiente de criopreservación y descongeladas, sean completamente funcionales. En estas placas de cultivo celular estandarizadas, las culturas pueden almacenarse y transportarse casi indefinidamente para los cribados de alta capacidad en investigación farmacéutica. Clínicas y laboratorios farmacéuticos pueden almacenar cultivos celulares y disponer de las células adecuadas en cualquier momento para pruebas de toxicidad y de compuestos activos.

Mejores pruebas de compuestos activos para nuevos medicamentos

Con los conceptos mejorados para el biorreactor y el recipiente de criopreservación, se abre el camino para un uso eficiente y práctico de las células hiPS en la investigación médica. Las pruebas in vitro tradicionales con células animales y los experimentos con animales, que plantean problemas éticos, serán reemplazados por sistemas de prueba mucho más precisos. «En conjunto, los logros del proyecto 'R2U-Tox-Assay' permiten un desarrollo más eficiente y seguro de compuestos medicinales para tratar diversas enfermedades, como problemas cardíacos y oculares, o incluso déficits neurológicos como la demencia», promete Neubauer.

En el proyecto conjunto, que acaba de concluir con éxito, participaron además del IBMT del Fraunhofer, la empresa Janssen Pharmaceutica N.V. y el Instituto de Bioingeniería de Cataluña. La iniciativa fue financiada en el marco de la gran iniciativa de la UE, EIT Health.