Las enfermedades neurológicas como el Alzheimer y el Parkinson representan un grave desafío para la salud mundial. A pesar de la enorme inversión en investigación y desarrollo de fármacos, el progreso se ha visto obstaculizado por numerosos obstáculos.
Uno de los principales problemas era la falta de modelos in vitro e in vivo fiables para una detección química precisa y la optimización de compuestos líderes. Los procesos tradicionales que utilizan líneas celulares y experimentos con animales a menudo no logran capturar la complejidad del cerebro humano y sus patologías.
Esta situación cambió en 2014, cuando Lancaster et al.1 crearon el primer modelo de organoides cerebrales. Estos organoides son réplicas tridimensionales intrincadas y miniaturizadas de secciones del cerebro humano, cultivadas a partir de células madre pluripotentes inducidas.
A diferencia de los cultivos 2D estándar, los organoides cerebrales comprenden una variedad de tipos de células que interactúan entre sí para recrear la arquitectura y la estructura del tejido real. Su complejidad los convierte en modelos ideales para estudiar el desarrollo cerebral y las enfermedades.
Los protocolos de generación de organoides cerebrales han evolucionado drásticamente en los últimos años, lo que ha convertido a estos modelos en herramientas valiosas para el descubrimiento de fármacos, el modelado de enfermedades y la medicina personalizada.2
A pesar de este progreso, la traducción de los organoides cerebrales en herramientas para el descubrimiento de fármacos sigue siendo un desafío debido a la baja reproducibilidad y a los procesos costosos y laboriosos que dificultan su escalabilidad.
Aunque las técnicas de diferenciación de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) en organoides cerebrales varían según el sistema de modelos, a menudo implican el intercambio de medios durante varios meses, así como un monitoreo constante. Este prolongado procedimiento de cultivo causa una variabilidad sustancial entre pocillos y placas, lo que sigue siendo una limitación importante.
El sistema automatizado de cultivo celular CellXpress.ai® está diseñado para abordar estos problemas. El sistema integra un manipulador de líquidos, un escáner de imágenes y una incubadora en una sola plataforma que puede sembrar, alimentar, pasar y monitorear cultivos celulares 2D y 3D (Figuras 1 y 2).
Este artículo describe un flujo de trabajo automatizado para la creación de organoides cerebrales utilizando el sistema CellXpress.ai, comenzando con iPSC y progresando hacia la diferenciación y la maduración de organoides cerebrales complejos. Se han desarrollado técnicas de pasaje de células individuales o fragmentos para el cultivo de células madre.
El material de partida es crucial para el desarrollo de células madre en organoides cerebrales. Las células madre deben formar colonias sanas y no diferenciadas.
Para controlar la calidad de las células madre, los investigadores utilizaron el software de análisis de imágenes IN Carta, que emplea inteligencia artificial avanzada para discernir entre colonias sanas y diferenciadas.
Los investigadores implementaron un flujo de trabajo para crear organoides cerebrales utilizando un agitador oscilante en lugar del agitador orbital tradicional. La calidad de los organoides se determinó mediante pruebas funcionales y tinción de toda la muestra.
Los investigadores también demostraron cómo integrar perfectamente otros dispositivos, como el sistema de imagenología de alto contenido confocal ImageXpress® HT.ai, para un monitoreo avanzado utilizando el puerto trasero del sistema CellXpress.ai.
Figura 1. El hardware y el software integrados del sistema CellXpress.ai. Crédito de la imagen: Molecular Devices UK Ltd
Figura 2. El sistema CellXpress.ai es compatible con el cultivo tanto de iPSC humanos como de organoides cerebrales. Crédito de la imagen: Molecular Devices UK Ltd
La variabilidad puede disminuirse mejorando los procedimientos de manipulación de líquidos del CellXpress.ai, lo que reduce el riesgo de contaminación y minimiza la pérdida o el daño de los organoides durante la aspiración y la dispensación de medios.
El «Módulo de Medios Inteligente» del sistema aumenta drásticamente el tiempo de trabajo sin intervención, permitiendo el almacenamiento de reactivos en la cubierta durante varios días. Además, estos módulos de medios precalientan los medios para garantizar que estén a la temperatura adecuada cuando comience la alimentación y permanezcan a esa temperatura hasta que se procesen todas las placas.
Después del procedimiento de alimentación, los medios se enfrían automáticamente para su almacenamiento en la cubierta (Figura 1). Además de los recipientes de medios, las placas de reservorio se pueden mantener en la cubierta.
El sistema automatizado de cultivo celular CellXpress.ai puede incluir una incubadora oscilante para permitir el cultivo de organoides flotantes, como los organoides cerebrales, asegurando una agitación constante de los medios durante el proceso de maduración.
Esta incubadora oscilante puede acomodar hasta seis bastidores y cuenta con una disposición combinable que permite tanto condiciones estáticas como oscilantes. Por lo tanto, las células madre se pueden cultivar en la misma incubadora que los organoides cerebrales. Esta funcionalidad es fundamental para ofrecer un flujo de trabajo completo para la producción de organoides cerebrales.
El sistema CellXpress.ai permite un monitoreo continuo del cultivo a través de su escáner de imágenes integrado y emplea un análisis de imágenes asistido por aprendizaje automático mediante el uso del software de análisis de imágenes IN Carta®.
Agradecimientos
Producido a partir de materiales originalmente escritos por Felix Spira y Sandra Grund-Gröschke de Molecular Devices.
Referencias
- Lancaster, M.A. Y Knoblich, J.A. (2014). Generación de organoides cerebrales a partir de células madre pluripotentes humanas. Nature Protocols, 9(10), pp.2329–2340. DOI: 10.1038/nprot.2014.158. https://www.nature.com/articles/nprot.2014.158.
- Birtele, M., Lancaster, M. Y Giorgia Quadrato (2024). Modelado del desarrollo y la enfermedad cerebral humano con organoides. Nature Reviews Molecular Cell Biology. (en línea) DOI: 10.1038/s41580-024-00804-1. https://www.nature.com/articles/s41580-024-00804-1.
Acerca de Molecular Devices UK Ltd 
Molecular Devices es uno de los principales proveedores mundiales de sistemas de medición bioanalíticos de alto rendimiento, software y consumibles para la investigación en ciencias de la vida, el desarrollo farmacéutico y el desarrollo de terapias biológicas. Su amplia cartera de productos incluye plataformas para el cribado de alto rendimiento, el análisis genómico y celular, la selección de colonias y la detección en microplacas. Estos productos de vanguardia permiten a los científicos mejorar la productividad y la eficacia, acelerando en última instancia la investigación y el descubrimiento de nuevas terapias. Molecular Devices se compromete con el desarrollo continuo de soluciones innovadoras para aplicaciones en ciencias de la vida. La empresa tiene su sede en Silicon Valley, California, con oficinas en todo el mundo. Para obtener más información, visite www.moleculardevices.com.
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