Nueva oportunidad para la terapia contra el cáncer: Laboratorio en miniatura permite vislumbrar la formación de metástasis

Junto a investigadores del Fraunhofer ITEM, del Fraunhofer IWS y de la Universidad de Regensburg, estudian la metástasis de las células tumorales en sistemas microfisiológicos. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS / Investigadores del Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IWS y la Universidad de Regensburg investigan conjuntamente el crecimiento de las células tumorales en sistemas microfisiológicos. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Desde hace varios años, el Fraunhofer IWS desarrolla sistemas microfisiológicos del tamaño de una caja de pastillas. Ahora es posible cultivar hasta diez cortes de tejido en un solo chip. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Para averiguar cómo se desarrollan y propagan las células cancerosas en el cuerpo, los socios de la investigación quieren simular las condiciones ambientales en los microsistemas de manera aún más efectiva en el futuro. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Además del cáncer, otras enfermedades, como la fibrosis, también se pueden examinar en secciones de tejido en sistemas microfisiológicos. Científicos del Fraunhofer IWS y del Fraunhofer ITEM están trabajando juntos en esto dentro del proyecto FIBROPATHS. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Cada año, aproximadamente medio millón de personas en Alemania desarrollan cáncer. A pesar de la existencia de opciones terapéuticas efectivas para muchas tipos de cáncer, muchas preguntas sobre el desarrollo de la enfermedad permanecen sin respuesta. ¿Por qué se forma un tumor? ¿Qué factores favorecen el crecimiento de las células cancerosas? ¿Por qué las metástasis se expanden con el tiempo a otros órganos? Los modelos animales utilizados hasta ahora representan de manera limitada los procesos reales en el cuerpo humano. El Instituto Fraunhofer para Tecnología de Materiales y Radiación IWS en Dresde ha desarrollado, en colaboración con el Instituto Fraunhofer de Toxicológica y Medicina Experimental ITEM en Hannover y la Universidad de Ratisbona, sistemas microfísicos especiales. En estos, ahora investigan cortes de tejido de tumores en condiciones cercanas a la realidad.

Los sistemas microfísicos, del tamaño de una caja de pastillas, son desarrollados con éxito por el Fraunhofer IWS desde hace varios años. Permiten representar artificialmente funciones de órganos o procesos de enfermedad mediante cultivos celulares, investigar enfermedades fuera del organismo, es decir, ex vivo, y probar medicamentos. «Para ello, apilamos varias capas de lámina de plástico», explica Stephan Behrens, ingeniero de desarrollo en el Fraunhofer IWS. Primero se emplean láseres para estructurar estas capas. Se crean canales y cámaras, bombas y válvulas. De esta manera, se modelan ciertos procesos en el cuerpo humano. En los sistemas microfísicos circula un líquido similar a la sangre, que suministra oxígeno y nutrientes a las células. Un nuevo desafío en un proyecto interdisciplinario fue investigar la metástasis de tumores en estos sistemas microfísicos.

Con este objetivo, el profesor Christoph Klein, titular de la cátedra de Medicina Experimental y Procedimientos Terapéuticos en la Universidad de Ratisbona y director del área de Terapia Personalizada de Tumores en el Fraunhofer ITEM, se acercó al Fraunhofer IWS. Junto con la Universidad de Erlangen-Núremberg, la Sociedad Alemana de Investigación (Deutsche Forschungsgemeinschaft) aprobó en 2020 una sección de investigación especial para los investigadores de Ratisbona. Su objetivo es descubrir con qué precisión las metástasis colonizan los órganos.

Interacción entre tumor e sistema inmunológico en un chip

«Para poder investigar esto, fue importante para nosotros integrar varios cortes de tejido tumoral en nuestro sistema microfísico», dice Florian Schmieder, jefe de grupo en el Fraunhofer IWS. Por primera vez en el mundo, esto se logró en este proyecto. Ahora pueden cultivarse en paralelo hasta diez cortes de tejido en un chip. El equipo del Fraunhofer IWS también creó aberturas a través de las cuales se pueden tomar muestras para su análisis en cualquier momento. «Además, se pueden medir continuamente parámetros importantes como el contenido de CO2, el pH o la concentración de oxígeno», continúa Schmieder. «Los sensores utilizados miden directamente en el sistema microfísico y pueden reutilizarse para otros estudios.»

El conocimiento sobre los cortes de tejido fue aportado por los expertos del Fraunhofer ITEM. Utilizaron cortes muy finos de tejido pulmonar, explica el profesor Armin Braun, jefe del área de Farmacología Clínica y Toxicológica en el Fraunhofer ITEM. «Durante la operación de un paciente con un tumor pulmonar, no solo se extrae el tumor, sino también tejido sano.» Un vibratome equipado con una cuchilla oscilante produce a partir de estas muestras láminas delgadas de 350 micrómetros de grosor y aproximadamente un centímetro de diámetro. Estas aún están bien nutridas. Colocadas en el chip, los cortes de tejido permanecen vitales y funcionales en el sistema microfísico durante un período prolongado. «De esta manera, podemos observar la interacción del sistema inmunológico humano con el tumor», añade Braun. Todos los tipos relevantes de células inmunitarias ya están presentes en el corte. «Así, estamos muy cerca del sistema real, mucho más que con modelos animales.»

Utilización de sistemas para investigar otras enfermedades

¿Cómo se desarrolla exactamente el cáncer y cómo se propaga en el cuerpo? Un punto importante: el metabolismo en el tumor difiere del de los tejidos normales. «Para los médicos, es importante poder investigar qué condiciones en un órgano atraen las metástasis», explica Florian Schmieder. Las altas concentraciones de oxígeno y el pH son determinantes para ello. Los investigadores del Fraunhofer IWS quieren ajustar aún más eficazmente estas condiciones ambientales en los microsistemas en el futuro. «Hasta ahora, podemos, por ejemplo, cambiar el contenido de oxígeno en todo el sistema», explica. Un desafío ahora es permitir diferentes concentraciones de oxígeno en un chip para observar la reacción de las células tumorales y las metástasis ante ello.

Sería ideal poder combinar varios tipos de tejidos de un paciente. «Pero esas muestras son muy raras en la realidad», dice Schmieder. Sin embargo, es posible reunir en el sistema muestras de sangre y tejidos del mismo paciente. En combinación con los diferentes sensores, esto ofrece un valor añadido que otros métodos no pueden ofrecer hasta ahora. Así, la tecnología puede usarse como una alternativa útil a los experimentos con animales. Sin embargo, por ahora, la investigación no puede prescindir completamente de modelos animales.

Al mismo tiempo, el equipo de 15 personas del Fraunhofer IWS trabaja en proyectos que prueban el uso de cortes de tejido para otras enfermedades. Un ejemplo es la fibrosis. En ella, se produce una respuesta alterada del sistema inmunológico que hace que el tejido se vuelva anormalmente duro y pierda parte de su función. Estos procesos limitan la función de tejidos y órganos. «Trabajamos en el proyecto interno FIBROPATHS del Fraunhofer en esta cuestión», dice Schmieder. Es necesario determinar qué sistemas específicos necesitan los diferentes tejidos en un minilaboratorio para poder cultivarlos durante más tiempo.

Nuevas terapias posibles para pacientes con cáncer

Los resultados hasta ahora en la investigación del crecimiento tumoral y la formación de metástasis mediante sistemas microfísicos son positivos, según el profesor Christoph Klein. «Cuando queremos investigar enfermedades, esta es una oportunidad muy interesante que se nos presenta», dice el médico. «Comprender en profundidad la metástasis es clave para desarrollar nuevos tratamientos que puedan prevenir la formación de metástasis en el cuerpo de los pacientes con cáncer.»

Florian Schmieder ve un gran potencial en la tecnología para el futuro: «Nuestros sistemas serán cada vez más modulares». En el futuro, diferentes componentes podrán combinarse de nuevas maneras para abordar las más diversas cuestiones científicas.