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Cáncer en un chip: la innovadora revolución biomédica

La incorporación de plataformas tecnológicas del tipo “cáncer en un chip” permitirá determinar el tratamiento anticáncer más adecuado para cada individuo, impulsando así el futuro de la medicina personalizada.
Imagen de célula cancerígena atacada por célula T humana
Célula T humana (azul) destruye célula cancerígena (roja). (Foto: Getty Images)

Por Salvador Gallegos Martínez

¿Es ciencia ficción pensar que una tecnología determinará el fármaco más efectivo y seguro para tratar a una persona con cáncer, tomando en cuenta su condición clínica individual? Hoy es ficción, pero la ciencia y la tecnología están construyendo las bases para que la medicina personalizada sea una realidad en un futuro próximo.

En la actualidad enfermedades como viruela, sarampión, tétanos, difteria y poliomielitis han sido controladas gracias a la implementación de vacunas y tratamientos médicos. No obstante, algunas patologías permanecen renuentes, entre ellas el cáncer.

¿Por qué no ha sido posible encontrar un tratamiento definitivo y universal contra el cáncer? Esta es una enfermedad muy dinámica y altamente heterogénea. Cada tumor maligno evoluciona y se comporta de manera diferente. En la actualidad, la evaluación de fármacos o candidatos terapéuticos se realiza en líneas celulares y modelos animales (ratas, ratones o conejos). Desafortunadamente, estos modelos resultan ser predictores pobres de la eficacia clínica y no reflejan la complejidad de la fisiopatología del cáncer en humanos. En consecuencia, es indispensable implementar plataformas tecnológicas o modelos biológicos más precisos y extrapolables al ser humano.

Un aspecto adicional a considerar es que cada individuo es único y posee diferencias genéticas, celulares, bioquímicas y fisiológicas. Desde esta perspectiva, la medicina personalizada repunta para ser la medicina del futuro. El objetivo de esta vertiente médica es diseñar tratamientos especializados y enfocados individualmente. Es por ello que grupos de investigación biomédica a nivel global trabajan en la implementación de plataformas tecnológicas que permitan evaluar la acción de fármacos anticáncer basados en los requerimientos individuales.

Situación actual

Pese a estar a años de esta realidad, estamos avanzando con paso firme hacia su materialización. Por ejemplo, el Grupo de Investigación en Ingeniería Biomédica del Tecnológico de Monterrey (Álvarez-Trujillo Lab) desarrolla plataformas cáncer-en-un-chip.

Estos sistemas son útiles tanto para realizar investigación fundamental de la enfermedad, como para evaluar la eficacia de fármacos en modelos biológicos que recapitulan a microescala las condiciones en las que se desarrolla un tumor en el cuerpo humano.

La fabricación y aplicación de estos sistemas involucran tecnologías como la impresión 3D de chips que democratiza la fabricación de estos dispositivos, tecnologías microfluídicas que permiten operar a los sistemas con pequeñas cantidades de fluido, y las de ingeniería y biofabricación de tejidos que habilitan la generación de modelos 3D de tumores.

Modelos de cáncer en un chip

En Álvarez-Trujillo Lab se han desarrollado modelos de cáncer en un chip con ventajas distintas. Uno de ellos consiste en un microdispositivo de 20 x 20 milímetros, con una cámara central que contiene el modelo biológico canceroso (microtumor esférico rodeado por un soporte biológico acelular), flanqueado por canales microfluídicos mediante los cuales se administran continuamente nutrientes y los fármacos anticáncer. Este sistema cuenta con una base ópticamente accesible al microscopio, que permite dar seguimiento al modelo biológico en tiempo real.

Otro modelo consiste en un minirreactor agitado, un dispositivo tipo tanque con capacidad de tres mililitros, el cual contiene un agitador magnético para fomentar un ambiente bien mezclado y que permite la adición sostenida de nutrientes o fármacos. En esta plataforma es posible evaluar continuamente la dinámica del sistema biológico dentro del reactor, al analizar el fluido cosechado a la salida. Por ejemplo, el efecto anticáncer de un fármaco en un modelo de tumor es detectable indirectamente al sensar una menor actividad metabólica del microtumor cuando se analiza el medio de cultivo recolectado a la salida del reactor.

El minirreactor agitado también se ha empleado para cultivar y madurar “microtumores” a partir de agregados de líneas celulares modelo del cáncer de mama (MCF7). Gracias al mezclado efectivo y aporte continuo de nutrientes, los microtumores se mantienen viables por extensos periodos (30 días). Estos microtumores fueron utilizados como modelos biológicos para evaluar la efectividad anticáncer de tres terapias farmacológicas (docetaxel, doxorubicina y paclitaxel) comúnmente utilizadas en la clínica. Tal como se esperaba, los resultados demostraron para cada fármaco una respuesta dependiente de la dosis y del tiempo en la reducción de la viabilidad de los microtumores. La capacidad de estos sistemas para discriminar el efecto entre dosis y fármacos con diferentes mecanismos de acción, valida la utilidad de este sistema para tamizar tratamientos.

Nuevos retos

El siguiente desafío consistirá en la obtención de biopsias de tumores cancerígenos y evaluar la acción de diferentes terapias (o combinación de estas) en nuestros dispositivos de cáncer-en-un-chip.

El Tecnológico de Monterrey reafirma su compromiso social mediante la investigación e implementación de plataformas innovadoras, promoviendo sinergias multidisciplinarias que involucren técnicas de simulación computacional, secuenciación genómica, ingeniería de tejidos, cultivo y bioimpresión 3D para obtener resultados dirigidos y extrapolables a la práctica clínica.

Estas nuevas herramientas brindarán soluciones tecnológicas robustas y precisas que permitirán al médico tratante prescribir la terapia anticáncer de manera personalizada según las necesidades de cada individuo.

Autor

Salvador Gallegos Martínez. Doctor en Biotecnología por la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tecnológico de Monterrey. Actualmente es investigador posdoctoral y profesor de cátedra en la misma institución. Contacto: [email protected]. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5780-7946

Asesores

Mario Moisés Álvarez. Doctor en Ingeniería Química y Bioquímica por la Universidad de Rutgers, miembro del Sistema Nacional de Investigadores (CONACyT), Nivel III, director y profesor investigador del GIEE de Ingeniería Biomédica de la Escuela de Ingeniería y Ciencias. Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. Contacto: [email protected]. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9131-5344

Grissel Trujillo de Santiago. Doctora en Biotecnología por el Tecnológico de Monterrey, miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel II, Premio L’Oréal-UNESCO-AMC 2019, codirectora y profesora investigadora del GIEE de Ingeniería Biomédica de la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. Contacto: [email protected]. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9230-4607

Asesor editorial

Jesús Eduardo Elizondo Ochoa. Doctor en Biotecnología (Tecnológico de Monterrey), doctor en Odontología, mención Doctor Internacional (UIC-Barcelona), profesor-investigador del GIEE en Ingeniería Biomédica de la Escuela de Ingeniería y Ciencias (EIC) y de la y Escuela de Medicina y Ciencias de la Salud (EMCS). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (CONACyT). Contacto: [email protected]. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1763-9399

Para saber más

Trujillo-de Santiago, G., Flores-Garza, B. G., Tavares-Negrete, J. A., Lara-Mayorga, I. M., González-Gamboa, I., Zhang, Y. S., Rojas-Martínez, A., Ortiz-López, R., & Álvarez, M. M. (2019). The Tumor-on-Chip: Recent Advances in the Development of Microfluidic Systems to Recapitulate the Physiology of Solid Tumors. Materials (Basel, Switzerland), 12(18), 2945.

Gallegos-Martínez, S., Lara-Mayorga, I. M., Samandari, M., Mendoza-Buenrostro, C., Flores-Garza, B. G., Reyes-Cortés, L. M., Segoviano-Ramírez, J. C., Zhang, Y. S., Trujillo-de Santiago, G., & Álvarez, M. M. (2022). Culture of cancer spheroids and evaluation of anti-cancer drugs in 3D-printed miniaturized continuous stirred tank reactors (mCSTRs). Biofabrication, 14(3), 10.1088/1758-5090/ac61a4.

Álvarez, M. M, Mendoza-Buenrostro C., Trujillo-de Santiago, G., Gallegos-Martínez, & S., Lara-Mayorga, I. M. (2022). Miniature agitation tank for culture and continuous perfusion of tissue. International Patent No. WO2022103249A1

Sánchez-Salazar, M. G., Crespo-López Oliver, R., Ramos-Meizoso, S., Jerezano-Flores, V. S., Gallegos-Martínez, S., Bolívar-Monsalve, E. J., Ceballos-González, C. F., et al. (2023). 3D-Printed Tumor-on-Chip for the Culture of Colorectal Cancer Microspheres: Mass Transport Characterization and Anti-Cancer Drug Assays. Bioengineering, 10(5), 554. MDPI AG. Retrieved from http://dx.doi.org/10.3390/bioengineering10050554

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