Bioingeniería de Tejidos: El Secreto para Restaurar la Función con Biorreactores Dinámicos

Los sistemas de biorreactores con tanques de acero que permiten simular variables in vivo en un entorno in vitro controlado supusieron un gran avance en la ingeniería de tejidos. Sin embargo, debido a las características dinámico-mecánicas que presentan algunos tejidos, las estructuras diseñadas en 3D a menudo no alcanzan las propiedades biomecánicas de los tejidos nativos.

Por lo tanto, un enfoque exitoso no solo debe lograr la reparación del tejido, sino también restaurar su función después de una lesión.

Aquí describimos un método innovador para mejorar la actividad celular en andamios 3D dentro de un sistema de biorreactor dinámico, a través de la aplicación combinada de compresión mecánica y flujo de fluidos.

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La Importancia del Estímulo Mecánico en 3D

La ingeniería de tejidos surgió como una alternativa para crear la arquitectura de tejidos bioartificiales in vitro mediante la implantación de células en andamios (scaffolds) 3D. Un factor clave es la aplicación de estímulos mecánicos durante la maduración para que el tejido naciente alcance una actividad funcional similar a la natural.

En este contexto, los sistemas de biorreactores han cobrado un interés especial, ya que permiten producir estructuras de tejido que son clínicamente efectivas.

• Se ha demostrado que la compresión mecánica en condiciones estáticas es perjudicial para el crecimiento celular.
• En contraste, la compresión dinámica promueve la actividad celular.

Un biorreactor debe cumplir dos requisitos esenciales para ser exitoso:

1. Intensificar la transferencia de masa mediante estrategias de perfusión que generen un entorno dinámico, promoviendo la proliferación y diferenciación celular.
2. Someter el tejido a cargas fisiológicamente relevantes que aceleren la producción de matriz extracelular in vitro.

Además de la difusión de nutrientes, el flujo de fluidos induce un esfuerzo cortante (shear stress) que da lugar a construcciones 3D con mayor resistencia que las desarrolladas sin estimulación mecánica. De esta manera, estos estímulos pueden actuar como antagonistas de enfoques más costosos que a menudo utilizan factores de crecimiento.

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Compresión y Dinámica de Fluidos: Una Combinación Ganadora

Un método de estimulación mecánica más directo utiliza sistemas de biorreactores de compresión (uniaxial a multiaxial). Aunque aún no existen protocolos de carga estandarizados que faciliten la comparación, los parámetros de carga dinámica son cruciales:

• Amplitud
• Frecuencia
• Duración de la carga

Por ejemplo, una carga compresiva intermitente es más eficiente que una continua, ya que el período de descanso permite a las células responder al estímulo mecánico.

El método que describimos a continuación se centra en la aplicación de dos modos de estimulación en tiempo real: carga compresiva y dinámica de fluidos. Ambos, aplicados simultáneamente y con los parámetros elegidos, proporcionan un entorno que mejora la actividad celular en andamios 3D en comparación con los cultivos estáticos estándar.

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Protocolo Detallado del Biorreactor

El tipo de célula y el material del andamio (biomateriales naturales o sintéticos) deben elegirse según la aplicación. El método aquí descrito hace referencia a parámetros probados en poliuretano modificado para la ingeniería de tejido cartilaginoso.

A. Componentes Esenciales

Todos los procedimientos deben seguir las Buenas Prácticas de Laboratorio (BPL).

1. Biorreactor ElectroForce: Conectado a una bomba peristáltica y ensamblado a celdas de carga de 22N. Posee cuatro módulos de fuerza, cada uno conectado a una cámara.
2. Medio de Cultivo (DMEM): 180 mL suplementados con 10% de suero fetal bovino (FBS) y antibióticos por cada cámara (la composición puede variar según el tipo de célula).
3. Tubos de Bomba de PVC de 3 vías (ajuste hermético).
4. Llaves de paso de tres vías conectadas a los tubos de la bomba.
5. Filtros de jeringa de 0,22 μM.
6. Incubadora de cultivo celular lo suficientemente grande para alojar todo el sistema del biorreactor, conectada a suministro de de CO₂.

B. Preparación Previa de Muestras

1. Esterilizar los andamios: Utilizando métodos que respeten sus propiedades fisicoquímicas (autoclave o baño UV-C son comunes). Para materiales sensibles al calor, se sugiere la desinfección con baños de alcohol seguidos de lavados en solución salina, ambos bajo vacío.
2. Siembra celular: Sembrar los andamios con el tipo de célula deseado.
3. Precápsula estático: Mantener los andamios en condiciones estáticas durante 4 días siguiendo procedimientos estándar. Este periodo es crucial para el anclaje celular y la síntesis inicial de matriz, mejorando la mecano-transducción posterior.

C. Montaje en el Biorreactor

Transferir las muestras a las cámaras del biorreactor bajo un flujo laminar estéril, con extremo cuidado para evitar daños en las células.

1. Retirar la placa de sellado acrílico de la cámara y montar el sistema de tubos de flujo en las válvulas de entrada y salida.
2. Añadir 180 mL de medio DMEM y eliminar todas las burbujas de aire del sistema de tubos.
3. Colocar el andamio entre las columnas con pinzas. Acoplar la columna superior lo suficiente sin apretar.
4. Colocar y enroscar firmemente la placa de sellado acrílico.
5. Colocar la cámara en su soporte y alinear las columnas cuidadosamente.
6. Añadir un filtro de jeringa de 0,22 μM a la abertura superior para contactar el aire restante en la cámara.
7. Colocar la cámara ensamblada en el sistema del biorreactor.

D. Configuración de Parámetros Dinámicos

Es fundamental realizar pruebas previas sin células para asegurar que los parámetros cumplan con las propiedades mecánicas del material.

1. Establecer la ruta del flujo de fluidos (idealmente a través de las columnas superior e inferior para evaluar el flujo directo a través del andamio).
2. Configurar la bomba peristáltica para un flujo continuo de 0,4 mL/min.
3. Montar la celda de carga según el rango de fuerza deseado (ver manual).
4. Configurar los parámetros de carga:

   • Valor de Fuerza: 1 N (Sistema configurado para un desplazamiento sinusoidal hasta detectar esta fuerza, garantizando una comparación homogénea).
   • Frecuencia: 0,015 Hz.
   • Duración: 1 hora continua.
   • Duración máxima: 18 horas.
   • Nota: La fuerza de 1 N se aplicó 3 veces al día, cada vez durante 1 hora, con un descanso de 1 hora sin restricciones entre cada nueva aplicación.

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El Futuro de la Medicina Regenerativa

Las células madre mesenquimales del cordón umbilical (UCMSCs) producidas en biorreactores son un recurso biológico con un enorme potencial en medicina regenerativa. Gracias a su capacidad de diferenciarse en múltiples tipos celulares y su función inmunomoduladora, estas células han demostrado resultados prometedores en la recuperación de funciones hematopoyéticas, la reparación de tejidos y la regeneración celular.

Aplicaciones de las (UCMSCs) producidas en biorreactores

Hoy en día, las UCMSCs se aplican ampliamente en ingeniería de tejidos y terapias basadas en células para tratar afecciones como el accidente cerebrovascular, lesiones de médula espinal o enfermedades neurodegenerativas.
Las UCMSCs humanas (hUCMSCs) se obtienen fácilmente del cordón umbilical tras el nacimiento, con una mínima invasión tanto para el bebé como para la madre. Además, presentan una alta capacidad de multiplicación, baja inmunogenicidad y escasas consideraciones éticas, lo que las convierte en una fuente celular muy atractiva para la investigación y el desarrollo clínico.

El reto de las (UCMSCs) producidas en biorreactores a gran escala

A pesar de su potencial, la demanda de hUCMSCs supera la oferta, ya que las dosis requeridas para lograr eficacia clínica son altas, normalmente entre 40 y 100 millones de células.
Los métodos tradicionales de cultivo celular en monocapa bajo condiciones estáticas son lentos, laboriosos y limitados en capacidad.
Aunque los sistemas automáticos de cultivo con matraces multicapa han mejorado la productividad, aún requieren grandes espacios de incubación.

La revolución del cultivo tridimensional (3D)

Para responder a esta necesidad, se ha desarrollado un proceso dinámico tridimensional (3D) de cultivo celular basado en microportadores (microcarriers) y biorreactores automatizados.
Un ejemplo destacado es el sistema desarrollado en Beijing., que combina microportadores 3D con el biorreactor 3D .

Cómo funciona este sistema innovador

Los microportadores TableTrix® ofrecen una superficie porosa donde las células madre pueden adherirse durante el cultivo en suspensión. Esta estructura aumenta significativamente la relación superficie-volumen, permitiendo una expansión celular mucho mayor.
Una de sus principales ventajas es que son totalmente solubles, lo que facilita la cosecha de las células sin necesidad de pasos adicionales de separación.
Este proceso suave ayuda a mantener la calidad celular, garantizando que las células conserven sus marcadores fenotípicos característicos (CD73, CD90 y CD105 en más del 95% de las células, y menos del 2% para CD14, CD19, CD34, CD45 y HLA-DR).

Con un solo biorreactor, es posible producir más de mil millones de células en apenas cuatro días, lo que representa un gran avance en la producción a escala industrial de hUCMSCs.

Preparación de los materiales

El protocolo de cultivo incluye el uso de microportadores estériles, soluciones específicas de digestión (como 3D FloTrix) y reactivos para control de calidad, como anticuerpos marcados para la caracterización celular.
Cada paso se realiza bajo condiciones estériles, a temperaturas controladas (entre 4 °C y 37 °C), asegurando la viabilidad y pureza de las células producidas.

El cultivo tridimensional de células madre mesenquimales representa un paso clave hacia la producción eficiente y escalable de terapias regenerativas.
Gracias a innovaciones como la biotecnología celular avanza hacia un futuro donde las terapias personalizadas y regenerativas serán más accesibles y efectivas.

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Hacia el futuro de la Terapia Celular: ¿Por qué decir adiós al suero para expandir Células Madre?

Las Células Madre Mesenquimales (hMSCs) son protagonistas en la medicina regenerativa y en el futuro de la terapia celular. Su cultivo y expansión en laboratorio son cruciales, pero el medio tradicional usado está quedando obsoleto. Aquí exploraremos el cambio fundamental hacia medios de cultivo definidos químicamente y libres de suero.

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El problema con el método tradicional (¡Adiós al Suero!)

La mayoría de los laboratorios todavía recurren a medios basales estándar como DMEM, RPMI 1640 o MEM, a los cuales se les añaden componentes para el crecimiento celular:

• Proteínas para la adhesión.
• Lípidos para el anabolismo (producción de energía y componentes celulares).
• Factores de crecimiento y hormonas.
• 10–20% de Suero Fetal Bovino (FBS).

El FBS ha sido un estándar, pero tiene serias desventajas que limitan su uso en la producción clínica:

• Alta Variabilidad Lote a Lote: La composición del suero nunca es totalmente uniforme, lo que hace que los resultados de un experimento a otro, o de un proceso de producción a otro, sean inconsistentes.
• Riesgo de Contaminación: Existe la posibilidad de contaminación con agentes como priones, virus o agentes zoonóticos (que se transmiten de animales a humanos), un riesgo inaceptable para terapias destinadas a pacientes.

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La Revolución de los Medios Definidos Químicamente y Libres de Suero

La solución es simple, pero técnicamente exigente: usar medios de cultivo químicamente definidos y libres de suero.

Ventajas Clave

1. Composición 100% Conocida: Todos los componentes son identificados.
2. Cantidades Definidas Estequiométricamente: Sabemos exactamente cuánto de cada componente hay.

Esto nos permite un control sin precedentes sobre el futuro de la terapia celular. La adaptabilidad es la gran ganadora, ya que podemos ajustar con precisión la "receta" del medio según las necesidades específicas de las células. Es un factor crucial, pues las hMSCs extraídas de diferentes tejidos (grasa, médula ósea, etc.) ¡tienen requerimientos nutricionales distintos! La tendencia futura es desarrollar medios específicos para cada tejido, en lugar de un enfoque "universal".

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Superando los Nuevos Retos: Bioreactores y Estrés Hidrodinámico

El abandono del suero trae consigo nuevos desafíos, especialmente al escalar la producción de células en bioreactores agitados (sistemas de mezcla dinámica):

• Sensibilidad al Estrés: El suero actuaba como un amortiguador contra el estrés hidrodinámico (la fuerza de agitación). Sin él, las células son más vulnerables.
• Caracterización del Proceso: Es vital realizar una caracterización del proceso previa. Hay que seleccionar cuidadosamente tanto el medio libre de suero como los microportadores (MCs), pequeñas esferas donde las células se adhieren para crecer en los bioreactores.
• Eficiencia de Adhesión Celular: La unión de las células a los MCs (la adhesión) puede ser menor sin suero.

La Sinergia Clave: Medio + Microportador (MC)

La experiencia, junto con estudios como el de Muoio et al., confirma que el medio y el microportador son inseparables. El desarrollo conjunto de un nuevo medio libre de suero y un MC adaptado a ese medio puede mejorar drásticamente la adhesión celular y el rendimiento del proceso. ¡El futuro pasa por crear MCs a medida para cada formulación de medio!

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Detalles del Proceso: De la Preparación a la Cosecha

Para alcanzar las densidades celulares necesarias para la aplicación clínica, se requiere una metodología rigurosa:

Preparación y Crecimiento

• Inóculo Adaptado: Las células usadas provienen de un banco celular que ya está adaptado al medio libre de suero.
• Evitar el Envejecimiento: Se recomienda inocular directamente el bioreactor con células descongeladas del banco de trabajo para mantener el Nivel de Duplicación Poblacional (PDL) por debajo de 15, asegurando la calidad de las células madre.
• Optimización Crucial: Antes de la producción a gran escala, se debe realizar una detección para encontrar la combinación óptima de medio y MCs.

La Fase de Cosecha

En los experimentos, la combinación F MCs con la formulación UrSuppe mostró el mejor rendimiento.

• Punto Ideal: El momento ideal para la cosecha es crucial para la calidad celular. Se determinó que se encuentra entre los días 5 y 6 de cultivo, justo antes de que las células alcancen la fase estacionaria. Cosechar 24 horas antes de la fase estacionaria garantiza la mayor viabilidad y calidad.
• Rendimiento Superior: El uso de un bioreactor de un solo uso de tanque de acero inoxidable agitado ha demostrado ser más eficiente que los spinner flasks (frascos agitados), produciendo hasta un 70% más de células viables.

En resumen en cuanto al futuro de la Terapia Celular, la transición a medios definidos químicamente y libres de suero es indispensable para la seguridad y reproducibilidad clínica. Si bien presenta desafíos operativos, la optimización detallada del medio en conjunto con los microportadores nos acerca a una producción de hMSCs más segura, controlada y eficiente.

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Producción Masiva de Células Madre Mesenquimales Humanas (hMSC) en Biorreactores de Un Solo Uso Agitados

Las células madre mesenquimales humanas (hMSC) son fundamentales en la medicina regenerativa. Su aplicación, ya sea en terapias autólogas (específicas para un paciente) o alogénicas (disponibles para cualquier paciente), dicta la escala de producción y, por ende, el tipo de biorreactor de un solo uso agitado que se debe utilizar.

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Estrategias de Expansión: Esferoides vs. Microportadores (MC)

La expansión de hMSC en biorreactores a escala de laboratorio (benchtop), suficiente para terapias autólogas, generalmente se realiza mediante dos enfoques principales: el cultivo basado en esferoides (agregados celulares) o el uso de microportadores (MC).

1. Cultivo Basado en Esferoides de Células Madre Mesenquimales

El método de esferoides permite que las células estén en contacto directo, facilitando la interacción célula-célula.

• Ventajas:

  • Evita la necesidad de material de soporte exógeno (como andamios o MCs).
  • Las células se comportan de forma similar al tejido nativo, produciendo su propia matriz extracelular (MEC), lo que les permite sobrevivir en suspensión.
  • Estas estructuras 3D pueden llevar a una mayor secreción de factores de crecimiento y antiinflamatorios.

• Desventajas y Limitaciones:

  • Es más común para el estudio de estructuras 3D complejas o la diferenciación celular en ingeniería de tejidos, que para la expansión masiva.
  • La densidad celular máxima está limitada por el tamaño y número de esferoides.
  • Los esferoides grandes (mayores de 200-300 m) son susceptibles a limitaciones de difusión de oxígeno y nutrientes, lo que puede inducir la apoptosis o la diferenciación espontánea en su núcleo.
  • Requiere la suplementación de moléculas de adhesión (como integrinas o E-cadherina) en el medio para una agregación celular exitosa.

2. Expansión en Microportadores (MC)

El uso de microportadores es una alternativa más ventajosa para la expansión masiva de hMSC, especialmente para terapias alogénicas.

• Características de los MCs:

  • Son típicamente esféricos y vienen en una variedad de tamaños (90–380 m).
  • Varían en el material del núcleo (poliestireno, celulosa, dextrano, gelatina, etc.) y en el recubrimiento superficial (colágeno, laminina, fibronectina).
  • El material y el recubrimiento son cruciales ya que afectan la adhesión celular, el crecimiento y la velocidad de agitación necesaria para mantenerlos en suspensión.

• Investigaciones Clave:

  • Estudios han demostrado que las hMSC derivadas de médula ósea crecen mejor en MCs recubiertos con colágeno y proteínas recombinantes que contienen la secuencia RGD (arginina-glicina-aspartato), la cual promueve la adhesión y el crecimiento celular.
  • Se recomienda una densidad de inoculación de 3 a 5 células por MC para optimizar la ocupación de la superficie.
  • Una distribución desigual de células en los MCs puede llevar a su agregación, lo que reduce la eficiencia del proceso de expansión.

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Escala de Producción para Terapias Alogénicas

Las terapias alogénicas requieren grandes cantidades de células para tratar a múltiples pacientes, lo que exige el uso de biorreactores a escala piloto o de producción (no solo de laboratorio).

• Preferencias a Gran Escala:

  • Debido a sus limitaciones y falta de reproducibilidad, el cultivo basado en esferoides pierde importancia a esta escala.
  • La mayor reproducibilidad del cultivo en MCs lo convierte en el método preferido para la producción de hMSC a escala industrial.

• Densidades Celulares y Medios de Cultivo:

  • Estudios han logrado densidades celulares máximas de hasta células/mL en biorreactores agitados a escala piloto (como Biostat STR® 50 L o Mobius® CellReady 50 L), utilizando medios suplementados con lisado plaquetario humano (10%) y suero fetal bovino (5% FBS).
  • Aunque las densidades alcanzadas con medios libres de suero y xenobióticos son históricamente más bajas, la reciente aparición de una amplia variedad de nuevos medios sin suero está abriendo el camino para lograr densidades de hMSC aún mayores a escala de producción en el futuro.

La elección de un sistema de biorreactor agitado de un solo uso y la estrategia de expansión (esferoides o MCs) son pasos críticos para el éxito de la producción de hMSC, siendo el uso de microportadores la opción más viable para la producción a gran escala requerida por las terapias alogénicas.

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Expansión de células madre mesenquimales (hMSCs) en biorreactores desechables agitados

Las células madre mesenquimales (hMSCs) se utilizan tanto en terapias autólogas (paciente a paciente) como en terapias alogénicas (de un donador universal para muchos pacientes). Esta diferencia determina la escala de producción necesaria, y con ello el tipo de biorreactor más adecuado.

En el caso de las terapias autólogas, los biorreactores desechables de mesa suelen ser suficientes para obtener la cantidad de células requerida. En estos sistemas, las hMSCs pueden crecer como esferoides (spheroids) o bien sobre microcarriers (MCs).

Cultivo basado en esferoides: ventajas y limitaciones

Los esferoides permiten que las células estén en contacto directo entre sí, favoreciendo la comunicación celular y una conducta más parecida a la del tejido nativo. Además, generan su propia matriz extracelular (ECM), lo que les da soporte natural.

Este enfoque es útil para estudios de diferenciación y modelos 3D, pero presenta limitaciones cuando se busca expansión masiva:

• La densidad de células madre mesenquimales está restringida al tamaño y número de esferoides.
• Esferoides grandes (>200–300 μm) pueden sufrir problemas de difusión de oxígeno y nutrientes, lo que induce apoptosis o diferenciación no deseada.

Por estas razones, aunque los esferoides son valiosos para investigación, no son la mejor opción para producción a gran escala.

Microcarriers: una alternativa para la expansión masiva

Los microcarriers (MCs) son pequeñas esferas que ofrecen una superficie de anclaje para el crecimiento celular. Existen distintos tipos que varían en tamaño, material y recubrimiento (colágeno, laminina, fibronectina, etc.).

Estudios han demostrado que las hMSCs derivadas de médula ósea crecen mejor en MCs recubiertos con proteínas de matriz extracelular, que favorecen la adhesión celular gracias a la secuencia RGD.

El éxito de este método depende tanto de la elección del MC como de la composición del medio de cultivo. Algunos biorreactores han mostrado ser altamente efectivos para mantener MCs en suspensión con baja energía, reduciendo el estrés celular.

Escalando hacia terapias alogénicas

Cuando se requieren grandes cantidades de células —como en las terapias alogénicas— se utilizan biorreactores de escala piloto o de producción (50 L o más).

Aquí los cultivos basados en esferoides pierden relevancia debido a su baja reproducibilidad, mientras que los MCs permiten procesos más estables y escalables. Con medios suplementados (ej. lisado de plaquetas humanas o suero fetal bovino), se han alcanzado densidades de hasta 0.7 × 10⁶ células/mL.

Aunque los resultados con medios libres de suero todavía son menores, los avances recientes en formulaciones comerciales libres de xenoderivados están abriendo el camino hacia una expansión más segura y eficiente para aplicaciones clínicas a gran escala.

Más información relacionada Aquí Expansión de células madre mesenquimales (hMSCs) en biorreactores desechables agitados

Biorreactores: Un Impulso a la Medicina Regenerativa para la Producción Masiva de Cardiomiocitos

Las enfermedades del corazón constituyen una de las principales causas de fallecimiento a nivel global, un desafío de salud que clama por soluciones innovadoras. El corazón, un órgano vital incapaz de sanar su propio tejido de forma eficaz, deja a los pacientes con opciones limitadas. En casos severos, el trasplante cardíaco es la única alternativa curativa. No obstante, la escasez de donantes ha generado una disparidad crítica entre la demanda y la oferta, lo que subraya la urgencia de hallar tratamientos alternativos que sean escalables y eficientes. Es aquí donde la medicina regenerativa y la tecnología de los biorreactores emergen como un rayo de esperanza para millones de personas.

El Potencial de las Células Madre Pluripotentes Inducidas (hiPSCs)

Las células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSCs) son el pilar de esta nueva era médica. Se distinguen por su excepcional capacidad de multiplicación y por su aptitud para transformarse en diversos tipos celulares, entre ellos los cardiomiocitos (CM). Estos cardiomiocitos, obtenidos a partir de células madre, poseen el potencial de reemplazar el tejido cardíaco dañado, restaurando así la funcionalidad del corazón. Sin embargo, para que esta terapia se convierta en una opción viable y esté al alcance de un gran número de pacientes, es indispensable la producción de grandes volúmenes de cardiomiocitos de alta pureza.

El principal obstáculo radica en optimizar el proceso de diferenciación de las hiPSCs hacia cardiomiocitos, garantizando su eficiencia y escalabilidad. A pesar de que las hiPSCs representan una fuente celular renovable, su manipulación en el laboratorio exige metodologías avanzadas que permitan un cultivo a gran escala y una diferenciación controlada. Esto nos conduce directamente a la necesidad de implementar sistemas sofisticados de cultivo celular, como los que ofrecen los biorreactores.

El Salto a la Producción a Gran Escala: Del Laboratorio al Biorreactor

Tradicionalmente, el cultivo de células madre se ha llevado a cabo en placas de laboratorio. Aunque este método es adecuado para la investigación en pequeña escala, resulta inviable para la producción de las enormes cantidades de células requeridas en aplicaciones clínicas. Es en este punto donde los microcarriers y los biorreactores con agitación (spinner cultures) se revelan como herramientas esenciales.

Los microcarriers son diminutas esferas a las que las células pueden adherirse y proliferar. Su uso en un biorreactor de tipo agitado permite mantener las células en suspensión en un medio de cultivo, lo cual maximiza la superficie de crecimiento disponible y posibilita una producción sustancialmente mayor que la que se obtendría en placas estáticas. La agitación regulada del biorreactor asegura una distribución homogénea tanto de las células como de los microcarriers, facilitando que todas reciban los nutrientes necesarios y que se eliminen los desechos metabólicos. Este sistema integrado de proliferación y diferenciación es crucial para materializar la visión de una fuente constante y escalable de cardiomiocitos maduros.

Un Enfoque Bifásico para la Optimización y Selección

Para asegurar el éxito de la producción, es fundamental seguir un procedimiento de dos fases para seleccionar las líneas celulares más adecuadas. La primera fase implica la evaluación del potencial de diferenciación cardíaca de las hiPSCs en cultivos de monocapa. No todas las líneas celulares se diferencian con la misma eficacia, por lo que es vital identificar aquellas con la mayor capacidad para generar cardiomiocitos. Este cribado inicial permite descartar las líneas menos prometedoras y concentrar los esfuerzos en las que poseen las características óptimas.

La segunda fase se centra en la capacidad de proliferación de estas líneas celulares previamente seleccionadas en cultivos con microcarriers dentro de un biorreactor. Una vez que se ha verificado que una línea celular puede diferenciarse de manera efectiva, es necesario confirmar que también puede crecer rápidamente en el ambiente del biorreactor con microcarriers. Esta habilidad de crecimiento a gran escala es tan importante como la capacidad de diferenciación. Únicamente las líneas celulares que demuestran un alto potencial en ambos aspectos son consideradas candidatas ideales para la producción masiva.

Un Protocolo Detallado para la Diferenciación en Biorreactores

El protocolo para la diferenciación de hiPSCs en cardiomiocitos es un proceso meticuloso que se realiza bajo condiciones estériles y controladas, usualmente en una cabina de bioseguridad. El proceso de diferenciación comienza cuando las hiPSCs, cultivadas en placas o en biorreactores sobre microcarriers, alcanzan una confluencia del 95-100%.

Se lleva a cabo un cribado inicial para determinar la concentración más efectiva del compuesto CHIR (un modulador de la vía de señalización Wnt) para cada línea celular, ya que su sensibilidad puede variar. Este paso es esencial para una diferenciación eficiente. Una vez establecida la concentración óptima, el protocolo de diferenciación generalmente sigue una secuencia de pasos:

• Día 0: Las células confluentes son expuestas a un medio de diferenciación basal que contiene la concentración óptima de CHIR durante 24 horas.
• Día 1: Tras 24 horas, el medio se cambia y las células se incuban por 24 horas adicionales.
• Día 2: El medio se sustituye por uno que contiene el compuesto IWR-1, un inhibidor de la vía Wnt, que contrarresta el efecto del CHIR y potencia la diferenciación cardíaca. Esta etapa se prolonga durante 48 horas.
• Día 4 en adelante: A partir de este momento, se realizan cambios de medio diariamente con medio fresco hasta el día 14.

Hacia el día 14, las células madre pluripotentes ya diferenciadas pueden ser disgregadas y analizadas mediante técnicas como la citometría de flujo, para verificar la pureza y la identidad de los cardiomiocitos generados. Este enfoque integrado, que va desde la selección de la línea celular hasta una diferenciación rigurosamente controlada, representa un avance significativo hacia la producción de cardiomiocitos en una escala que podría satisfacer las demandas terapéuticas.

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Biorreactores y la promesa de las células madre para regenerar el corazón.

Las enfermedades cardíacas son una de las principales causas de muerte en todo el mundo. Cuando un corazón se daña, por ejemplo, después de un ataque, sus células musculares, llamadas cardiomiocitos, no pueden regenerarse por sí solas. La única solución hasta ahora ha sido el trasplante de corazón, pero la escasez de donantes es un obstáculo enorme.

La ciencia detrás de la solución: Células madre pluripotentes en biorreactores para regenerar el corazón

Biorreactores para regenerar el corazón  - Aquí es donde entra en juego la ciencia de los biorreactores y de las células madre pluripotentes inducidas (conocidas como iPSCs por sus siglas en inglés). Estas células son extraordinarias: tienen una gran capacidad de proliferación y, lo que es aún más importante, pueden transformarse en casi cualquier tipo de célula del cuerpo, incluidos los cardiomiocitos funcionales.

El objetivo es aprovechar estas propiedades para crear un suministro ilimitado de cardiomiocitos sanos que puedan usarse para reparar el tejido cardíaco dañado. Sin embargo, para que esta terapia sea viable a gran escala, necesitamos una forma eficiente y masiva de producir estas células.

El desafío de la producción en masa en biorreactores para regenerar el corazón: Del laboratorio a la terapia

No todas las líneas de células madre se comportan de la misma manera. Algunas tienen un mayor potencial para convertirse en cardiomiocitos que otras, y sus tasas de crecimiento también pueden variar. Por ello, el primer paso en nuestro protocolo es la selección de las mejores líneas celulares.

Una vez identificadas, el siguiente desafío es cómo cultivarlas en grandes cantidades. Aquí es donde los microportadores (microcarriers) juegan un papel clave. Son pequeñas esferas sobre las que las células pueden crecer, permitiendo que se cultiven miles de millones de células en un solo biorreactor. Este sistema, en particular, se utiliza en cultivos en agitadores (spinner culture), lo que permite una producción a una escala mucho mayor que la de las placas de cultivo tradicionales.

Un enfoque integrado para la producción

Nuestro método combina estos dos pasos:

1. Evaluación inicial: Se evalúa el potencial de diferenciación cardíaca de varias líneas de células madre en un cultivo convencional para seleccionar las más prometedoras.
2. Producción optimizada: Las líneas seleccionadas se cultivan en grandes cantidades utilizando microportadores en biorreactores, para luego inducir su diferenciación en cardiomiocitos.

Este enfoque integrado nos permite superar el reto de la producción, allanando el camino para que los cardiomiocitos derivados de células madre se conviertan en una fuente terapéutica escalable para tratar enfermedades cardíacas.

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Biorreactores y Materiales y equipos clave para el proceso

Para quienes estén interesados en los detalles técnicos, aquí se listan algunos de los equipos y reactivos esenciales para llevar a cabo este protocolo.

Equipamiento mínimo:

• Gabinete de bioseguridad: Para un entorno estéril.
• Incubadoras de CO2: Para mantener las condiciones ideales de cultivo.
• Biorreactores tipo spinner: Vasos de cultivo con agitador magnético para la producción en microportadores.
• Microscopio de contraste de fases: Para observar el crecimiento celular.
• Citómetro de flujo: Para analizar las características de las células, como su pureza.

Medios y reactivos:

• mTeSR™1: Un medio de cultivo específico para mantener la pluripotencia de las células madre.
• Medios específicos para diferenciación: Como RPMI-1640 y B27 sin insulina.
• Pequeñas moléculas: Como CHIR99021 e IWR1, que se utilizan para guiar la diferenciación de las células madre hacia cardiomiocitos.
• Microportadores: Las pequeñas esferas donde las células crecen en grandes cantidades.

Con cada avance en este campo, nos acercamos un poco más a la visión de tener una fuente renovable y segura de células cardíacas, listas para restaurar la función del corazón y salvar vidas.

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