Esófago de Barrett modelado en un chip de órgano humano

8 de junio de 2023

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por la Universidad de Harvard

El reflujo ácido, el reflujo de ácido estomacal hacia el tubo de deglución o esófago, es algo que muchos experimentan ocasionalmente. Cuando ocurre repetidamente y se convierte en un problema crónico, puede resultar en "esófago de Barrett" (BE), una condición en la que las células en el revestimiento epitelial del esófago parecen asumir la identidad de células del estómago o del intestino.

Este proceso se conoce como "metaplasia" y está asociado con una mayor incidencia de cáncer de esófago, uno de los tumores más letales que se estima es la sexta causa más común de muerte por cáncer en todo el mundo.

Para poder predecir qué pacientes con esófago de Barrett tienen un mayor riesgo de desarrollar cáncer y descubrir fármacos que puedan prevenir esta transición, se necesita una mejor comprensión de sus factores desencadenantes celulares y moleculares. Sin embargo, para estudiar BE, los modelos animales no son útiles, ya que tienen una anatomía esofágica diferente, y los modelos in vitro existentes no logran replicar los cambios en la estructura celular y tisular que son características de BE observados en pacientes humanos.

El esófago está revestido por una capa de células epiteliales que mira directamente hacia la luz esofágica y está sostenido desde abajo por una mezcla de células de fibroblastos y una matriz extracelular circundante conocida como "estroma". Además de brindar soporte mecánico y nutricional, se sabe que el estroma envía señales a las células epiteliales para guiar su diferenciación y función durante el desarrollo del esófago en el feto.

Si bien el estroma continúa proporcionando señales al epitelio esofágico a lo largo de la vida de una persona para permitir la renovación del tejido, se desconoce su contribución a la metaplasia que a menudo precede a la formación del cáncer.

Ahora, un equipo de investigación del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en la Universidad de Harvard dirigido por el Director Fundador de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., en colaboración con investigadores de la Universidad McGill en Montreal, Canadá y la Universidad de California en San Francisco (UCSF ) desarrollaron un modelo que recapitula las respuestas de un epitelio BE a los fibroblastos derivados del estroma de una manera específica del paciente in vitro utilizando la tecnología Organ Chip.

Los chips de órganos son dispositivos de cultivo celular de microfluidos en los que las estructuras y funciones clave de los órganos compuestos por diferentes tipos de células y tejidos pueden imitarse fuera del cuerpo.

El equipo creó chips revestidos por células epiteliales que se cultivaron directamente en una capa similar al estroma con células de fibroblastos incrustadas que recrean una interfaz real de estroma epitelial similar a la in vivo. Es importante destacar que tanto las células epiteliales como los fibroblastos se aislaron de diferentes regiones dentro del mismo esófago de un paciente con cáncer de esófago; algunas regiones parecían sanas, mientras que otras mostraban signos típicos de EB o habían progresado a cáncer.

Cuando reconstituyeron la interfaz epitelial-estroma con células epiteliales y fibroblastos de una región BE, las células reformaron un tejido que se parecía mucho al tejido BE. Pero cuando combinaron células epiteliales de BE con fibroblastos de las regiones cancerosas, observaron que las células en la capa epitelial de BE proliferaban a un ritmo más rápido y mostraban cambios precancerosos bajo el microscopio. Los hallazgos preparan el escenario para un análisis en profundidad de la relación estroma-epitelial en pacientes individuales. Están publicados en Gastro Hep Advances.

Al desarrollar su modelo BE Organ Chip, el equipo de Ingber se basó en modelos Organ Chip anteriores que diseñaron para estudiar el sistema gastrointestinal, incluido el colon; así como métodos de cultivo de organoides que optimizaron para células epiteliales esofágicas. Al preservar el potencial de las células madre de los pacientes y la diferenciación en células epiteliales funcionales en organoides, los investigadores crearon una fuente duradera de células primarias del esófago epitelial humano.

"Muchos modelos in vitro de EB utilizan células de pacientes que han sido manipuladas genéticamente para inmortalizarse, pero también pierden algunas de sus características. Ser capaces de aplicar células humanas primarias a Organ Chips nos permite estar mucho más cerca de la situación humana. ”, dijo la primera autora Elee Shimshoni, Ph.D., quien trabajó en el proyecto como becaria postdoctoral en el equipo de Ingber.

Para imitar las interacciones entre el epitelio humano y los fibroblastos y poder observarlas durante un período prolongado, Shimshoni y sus colegas cultivaron los fibroblastos del paciente dentro de un gel de colágeno que se asemeja a la matriz extracelular natural de las células en el canal superior de un chip de órgano que contiene dos canales paralelos separados por una membrana porosa.

Para facilitar el contacto directo entre las dos poblaciones de células, las células epiteliales esofágicas, extraídas de sus cultivos de organoides, se cultivaron sobre el gel de colágeno que contiene fibroblastos en el canal superior. Una tapa removible en esta versión de Organ Chip permitió que las células epiteliales se expusieran al aire en la llamada interfaz aire-líquido, que es importante para su completa diferenciación y formación de una capa epitelial apretada, tal como sucede en el esófago en Vivo. A través del canal inferior, se hizo fluir continuamente medio líquido para proporcionar nutrientes a las células cultivadas.

Cuando los investigadores combinaron fibroblastos normales con células esofágicas epiteliales normales de una región de apariencia saludable en lo que llamaron un "emparejamiento homotípico", esto dio como resultado un epitelio de varias capas con morfología y composición de células esofágicas normales y expresión normal de marcadores moleculares.

Por otro lado, un emparejamiento homotípico de fibroblastos asociados con BE con células epiteliales de BE produjo un epitelio similar a BE con células epiteliales cuboidales más gruesas y células caliciformes productoras de moco intercaladas que generalmente se encuentran en el intestino. Estos hallazgos mostraron que su sistema de cultivo fue capaz de recapitular la formación de tejido esofágico normal y EB.

Sin embargo, "solo cuando emparejamos las células epiteliales de BE con fibroblastos asociados con cáncer de esófago de un sitio canceroso en el esófago del mismo individuo en un 'emparejamiento heterotípico', las células epiteliales de BE fueron empujadas a un estado hiperproliferativo típico de una enfermedad precancerosa proceso: los fibroblastos normales y los fibroblastos específicos de BE no podrían producir este efecto en parejas heterotípicas y homotípicas".

Estos modelos permiten a los investigadores no solo estudiar la base molecular y celular de las interacciones epiteliales-estromales que juegan un papel clave en la progresión de la metaplasia a la formación de cáncer, sino también las interacciones que guían el desarrollo normal del esófago en un contexto de tejido de gran relevancia. "Hasta donde sabemos, este es el primer sistema in vitro en el que es posible analizar las respuestas heterogéneas del epitelio BE a las células del estroma de diferentes regiones del mismo órgano del mismo paciente", dijo el autor principal Donald Ingber, MD, Ph. .D.

"Este enfoque, si se realiza para múltiples pacientes, podría permitirnos identificar biomarcadores tempranos de cambios que son indicativos de la progresión del cáncer, y tal vez incluso futuros objetivos terapéuticos. También tiene potencial para ser utilizado para personalizar la selección de tratamientos".

El equipo de Ingber, encabezado por Shimshoni, trabajó en estrecha colaboración con los grupos de Thea Tlsty, Ph.D. en UCSF, y el científico clínico Lorenzo Ferri, MD, Ph.D. en el Centro de Salud de la Universidad McGill en Canadá.

Ferri es el Jefe de la División de Cirugía Torácica y Gastrointestinal Superior del Centro que trata a pacientes con cáncer de esófago y otros tipos de cáncer y neoplasias malignas y proporcionó acceso a muestras específicas de tipo de células de un paciente con cáncer de esófago, mientras que Tlsty ha estado estudiando extensamente las contribuciones del estroma a cicatrización de heridas y tumores malignos en enfoques multidisciplinarios. Los grupos forman parte de un consorcio que se centra en el papel clave que desempeña el estroma en la progresión de los tejidos metaplásicos a cánceres en varios órganos.

Más información: E. Shimshoni et al, Interacciones epiteliales-estromales en el esófago de Barrett modelado en chips de órganos humanos, Gastro Hep Advances (2023). DOI: 10.1016/j.gastha.2023.03.009