Científico está construyendo tripas, hígados y pulmones en miniatura que podrían salvar su vida un día

A los 50 años, Els van der Heijden se sintió más enfermo que nunca. Nacida con el trastorno hereditario de la fibrosis quística (FQ), había logrado superar su enfermedad, terminar la universidad y conseguir un trabajo desafiante en la consultoría. Pero Van der Heijden, que vive en una pequeña ciudad holandesa, dice que siempre sentía “una nube oscura colgando de mi cabeza”. Cuando empezó a sentirse agotada y sin aliento en 2015, pensó que era el comienzo del final.

Luego leyó un artículo periodístico sobre un niño con FQ llamado Fabian, cuya vida había sido salvada después de que los científicos crecieran un “mini órgano” de una muestra de tejido cortada de su colon, un órgano que afecta a la FQ. Los médicos habían utilizado el mini-órgano para probar el ivacaftor (Kalydeco), una droga tan cara que las aseguradoras holandesas se niegan a cubrirla sin evidencia de que ayudará a un paciente individual de FQ. No existía tal información para Fabian, cuya FQ fue causada por una mutación extremadamente rara. Pero su minigut respondió al ivacaftor, y mejoró a las pocas horas de tomarlo. Su seguro finalmente aceptó pagar por la droga.

El médico de Van der Heijden dispuso que se hiciera un minigut para ella también; Respondió a una droga comercializada como Orkambi que combina ivacaftor y otro compuesto, lumacaftor. A las pocas semanas de haber comenzado a tomar esa combinación, “tuve una enorme cantidad de energía”, dice. “Por primera vez, sentí que mi cuerpo funcionaba como debería”.

La prueba de alteración de la vida se desarrolló en el laboratorio de Hans Clevers, director del Instituto Hubrecht aquí. Hace más de una década, Clevers identificó un tipo de célula madre en el intestino que puede dar a luz a todas las demás células intestinales. Con la nutrición adecuada, su equipo persuadió a estas células madre para que crecieran en una versión en 3D, de tamaño de punta de lápiz del intestino del que provenía. El minigut era funcionalmente similar al intestino y repleto de todos sus principales tipos de células, un organoide.

Ese fue el comienzo de una revolución. Clevers y otros han crecido organoids desde muchos otros órganos, incluyendo el estómago, el páncreas, el cerebro, y el hígado. Fácil de manipular, los organoides están clarificando cómo se desarrollan los tejidos y reparan lesiones. Pero quizás lo más emocionante, dicen muchos investigadores, es su capacidad para modelar enfermedades de nuevas maneras. Los investigadores están creando organoides de las células tumorales para imitar los cánceres y la introducción de mutaciones específicas en organoides hechos de tejido sano para estudiar cómo se produce el cáncer. Y como ha demostrado el laboratorio de Clevers, los organoides pueden ayudar a predecir cómo un individuo responderá a una droga que hace que la medicina personalizada sea una realidad. “Es muy probable que los organoides revolucionen la terapia de muchas enfermedades graves”, dice Rudolf Jaenisch, científico de células madre en el Massachusetts Institute of Technology en Cambridge.

Para Clevers, la bonanza ha sido una sorpresa. Un biólogo básico en el fondo, dice que nunca tuvo las aplicaciones del mundo real en la mente. “Siempre fue impulsado por la curiosidad”, dice. “Durante 25 años hemos publicado artículos sin relevancia práctica para cualquier persona en este planeta”.

En una brillante mañana de julio en el Instituto Hubrecht, Clevers escucha pacientemente a presentaciones durante una reunión semanal de laboratorio. Una posdoctorado presenta datos sobre sus esfuerzos para desarrollar un modelo de órgano para el cáncer de pulmón de células pequeñas; Otros informes de progreso en el cultivo de organoides secretoras de hormonas de tejido intestinal humano. Cada vez que las preguntas de investigación sobre el golpean como inspiración, Clevers insta a ser más ambicioso: “¿Por qué no perseguir algo que no sabes?” Él pide

“Hans es capaz de elevar las preguntas que no están contaminados por la respuesta esperada”, dice Edward Nieuwenhuis, presidente de pediatría del Centro Médico Universitario de Utrecht (UMCU) y un buen amigo. Ronald Plasterk, quien co-dirigió el laboratorio Hubrecht con Clevers 2002-2007 y es ahora el ministro holandés del Interior y de las Relaciones del Reino. Ese enfoque ha ganado muchos premios Clevers. En junio, por ejemplo, fue incluido en la Orden Para el Mérito, una orden alemana de élite con sólo 80 miembros en todo el mundo.

Clevers comenzó su carrera estudiando las células inmunológicas como un post-doctorado en el Instituto de Cáncer Dana-Farber en Boston. Él consiguió su primer trabajo en el departamento de inmunología clínica de UMCU en 1989, donde se convirtió rápidamente jefe de departamento. La mayor parte del trabajo fue clínico, cuentos como el diagnóstico de leucemia y análisis de sangre para trasplantes. “Pero mis intereses de investigación fueron mucho más básico que el ambiente que estaba en”, dice.

En los primeros trabajos, se identificó una molécula clave, T especifico de la célula factor de transcripción 1 (TCF-1), que las señales de las células inmunes conocidas como linfocitos T a proliferar. Más tarde se descubrió que el TCF-1 es parte de la familia Wnt más grande de moléculas que es importante no sólo para la respuesta inmune, sino también para el desarrollo embrionario y la reparación de los tejidos de señalización. En 1997, su equipo de laboratorio descubrió que los ratones que carecen del gen para una de esas señales, TCF-4, no se desarrollaron en los bolsillos de su revestimiento intestinal llamadas criptas. Poco después, un estudio con Bert Vogelstein de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland, mostró que el TCF-4 también ayudar a iniciar el cáncer de colon humano.Fascinado, Clevers cambió su enfoque del sistema inmune para el intestino.

Inspirado por una investigación de investigación sobre células madre en el momento, Clevers comenzó la caza de células madre intestinales. Hace más de 50 años, los investigadores dedujeron que las criptas de roedores producen muchas células que sobreviven sólo unos pocos días, lo que sugiere algunos, fuente de vida más larga no identificada para las células.

Después de casi una década de experimentos tediosos, post doctorado de Clevers Nick Barker encontró oro en 2007: Se descubrió que las células que llevan un receptor llamado LGR5 dan lugar a todas las células en los intestinos de ratones y que las moléculas en la vía Wnt señal esas células se dividan. Barker encontró más tarde las células LGR5 positivos en otros órganos también. En algunos, las células estaban siempre activas; En otros, cuentos como el hígado, se multiplicaban solo cuando los tejidos detectan lesiones.

En ese momento, el cultivo de las células madre fue notoriamente difícil, pero después del experimento de laboratorio anterior, otro postdoctorado en el laboratorio de Clevers, Toshiro Sato, inventó una mezcla de los factores de crecimiento que convenció en las células madre Intestino para replicarse en un plato. Que esperaba ver una capa plana de células. Sin embargo, en la Universidad de Keio en Tokio: una réplica 3D de un epitelio intestinal. La estructura auto-organizada en criptas y salientes en forma de dedos llamadas vellosidades, y comenzó a hacer sus propios productos bioquímicos.Un artículo sobre la hazaña fue rechazado varias veces antes de ser publicado. Clevers recuerda: “Nadie quería creer”.

Pronto, el laboratorio comenzó el cultivo de células LGR5 positivo y organoides que crecen en el estómago, el hígado y otros órganos. “Fue un momento emocionante, y realmente parecía que estábamos en las fronteras del descubrimiento”, dice otro postdoc en el momento, Meritxell Huch, ahora en el Instituto Gurdon en Cambridge, Reino Unido “Pero ciertamente no pensaban que estábamos la apertura de un nuevo Campo “.

Partes del cuerpo miniatura

Organoides, versiones en miniatura cultivadas en laboratorio de órganos, están transformando la ciencia y la medicina. Los investigadores son credos de muchos órganos diferentes; También han creado órganos a partir de células tumorales para imitar cánceres.

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Cautivado por las células madre y su potencial para regenerar los tejidos, otros laboratorios comenzaron a hacer organoides. Unos meses antes de papel de Sato 2009, Akifumi Ootani, un post-doctorado en el grupo de Calvin Kuo en la Universidad de Stanford en Palo Alto, California, reportó el uso de una estrategia diferente para crecer organoides intestinales. El método de Kuo comienza con los fragmentos de tejido en el lugar de las células madre individual y crece en un gel en una parte expuesta al aire en el lugar de sumergido en un medio nutriente. Casio al mismo tiempo, Yoshiki Sasai del Centro RIKEN de Biología del Desarrollo en Kobe, Japón, cultivó los primeros organoides cerebrales y por primera vez con las células madre de los adultos, pero con células madre embrionarias.Otros investigadores cultivaron organoides partir de células madre pluripotentes inducidas, que se asemejan células madre embrionarias pero se cultivan a partir de células adultas.

Los diversos métodos crean diferentes tipos de organoides, cada uno con sus ventajas y inconvenientes. Organoides de Kuo contienen una mezcla de tipos de células, lo que permite “la observación de los comportamientos de orden superior como la contracción muscular”, dados. Debido a que esas organoides incluyen estroma, un andamio de tejido conectivo esencial para el crecimiento tumoral, que pueden ser mejor para el estudio de terapias que se dirigen el estroma, los cuentos como inmunoterapia del cáncer. Mezcla de los factores de crecimiento de Clever crece los organoides que consisten principalmente en las células epiteliales, por lo que su técnica no funciona para el cerebro y otros órganos con las células de las células epiteliales.Tampoco pueden utilizar los órganos para probar fármacos dirigidos a los vasos sanguíneos o las células inmunes porque organoides tienen ni.

Ambos métodos para la producción de compuestos orgánicos de pacientes individuales, que producen un solo uso en tan sólo 1 a 3 semanas. (Aunque organoides de Clevers se originan a partir de células madre adultas, aislando las células no es necesario, el cultivo de un fragmento de tejido con los nutrientes adecuados es suficiente.) Los métodos reproductivos, y los organos permanecen genéticamente estable en cultivo; También puede ser almacenado en congeladores durante años.

En 2013, Clever y otros fundaron una organización no lucrativa, Hubrecht organoides Tecnología (HUB), para aplicaciones de mercado. Clever propuso por primera vez el uso de organoides para los trasplantes de tejidos, dice el director gerente del HUB Rob Vries. Los estudios demostraron que los órganos saludables se implantaron en ratones con los dos puntos enfermas para reparar lesiones. “Pero nos paró la idea de que había demasiados obstáculos regulatorios y las posibilidades de éxito fue baja”, dice Vries.

La idea de reclutar un organoides para tratar CF vino de Jeffrey Beekman, un investigador en UMCU que estudia esa enfermedad. Todos los recién nacidos son examinados para detectar holandeses CF, y las muestras de biopsia de colon se toman de los bebés que dan positivo. El tejido se analiza para evaluar cómo disfuncional el gen defectuoso es y después se almacena. Organoides crecimiento de esas muestras serían relativamente sencillo, argumento Beekman, que desde entonces ha encabezado el proyecto.

CF puede surgir de más de 2000 mutaciones en un gen que paralizan los canales de aire que se mueven y salen a través de las membranas celulares. La enfermedad afecta a todos los tejidos, pero el síntoma es el exceso de mucosidad en los pulmones y el intestino, causando infecciones en el pecho, tos, dificultad para respirar y problemas digestivos.

Ivacaftor y la lumacaftor fármaco de combinación y ivacaftor, ambos comercializados por Vertex Pharmaceuticals en Boston, restaurar la función de los canales iónicos. Pero los medicamentos no funcionan igual de bien para todo el mundo, y han sido probados y aprobados sólo para las personas con las mutaciones más comunes, en conjunto representan aproximadamente la mitad de todos los pacientes con FQ. Vértice, que se dedica a responder a las preguntas de esta historia, se ha demostrado reacio a gastar millones en ensayos en pacientes con las mutaciones raras debido a que el beneficio potencial es pequeño.Y con el precio de etiqueta-ambos fármacos cuestan entre € 100.000 y € 200.000 por año en Europa los servicios de salud y las compañías de seguros han estado dispuestos a pagar por los medicamentos para las personas con esas mutaciones no probados.

Van der Heijden en la categoría y que sólo las otras personas en los Países Bajos comparten su mutación. Pero cuando los organoides cultivaron a partir de sus entrañas fueron expuestos a lumacaftor y ivacaftor, los organoides se hincharon como tejido normal del intestino, una señal de la proteína defectuosa funcionaba y que la sal y el agua fluyera a través. El resultado ayudó a persuadir a Vertex para darle el medicamento a través de un programa de uso compasivo, sin el pago. (Agencias reguladoras exigen que se puede controlar en un ensayo clínico.) Sus efectos secundarios incluyen fatiga, náuseas y diarrea, pero después de unos meses, “fue como si alguien abrió la cortina y le dijo: Salir a jugar “, dice ella. “Y lo hice.”

En colaboración con Vertex, HUB ha probado ivacaftor en organoides obtenidos de pacientes con FQ que han participado en un ensayo clínico de esa droga. El estudio confirmó que los organismos pueden predecir quién responde a la droga.

HUB también ha probado ivacaftor en organoides de 50 pacientes con nueve mutaciones raras. Sobre la base de los resultados, los aseguradores de acuerdo con el medicamento en otros seis pacientes holandeses, y Vertex está siguiendo con el primer ensayo clínico de ivacaftor en pacientes con FQ con mutaciones raras. Mientras tanto, HUB es la construcción de un biobanco, financiado por las aseguradoras sanitarias holandesas, que contiene todos los órganos de 1500 pacientes holandeses CF para probar tanto los medicamentos existentes y los nuevos candidatos.

“Esta es la próxima gran cosa en la investigación CF”, dice Eitan Kerem, jefe de pediatría del Centro Médico Hadassah en Jerusalén, que está construyendo un banco biológico similar y ha puesto en marcha un ensayo en pacientes con mutaciones raras. Organoides son especialmente útiles porque no hay grandes modelos animales para CF existen, dice Kerem; Hurones y cerdos se usan a veces, pero “son caros y no están disponibles para la mayoría de los investigadores”.

Las compañías farmacéuticas y de biotecnología están ahora establecidas con HUB para explorar organoides en otras enfermedades. El éxito con CF sugiere que se puede modelar otros trastornos de un solo gen, cuentos como α-1 antitripsina, que causa principalmente en los pulmones y el hígado. Algunas compañías también están probando medicamentos en fallas en organos y comparando los resultados con los datos clínicos de los animales y con la esperanza de encontrar maneras de predecir y evitar estos fallos.

El cáncer es también un objetivo importante. Con el cultivo de organoides a partir de muestras tumorales, los investigadores pueden crear minitumors y utilizarlos para estudiar cómo se desarrolla el cáncer para probar las drogas. Poco después del papel minigut salió en 2009, David Tuveson, que dirige el centro de cáncer en el Laboratorio de Cold Spring Harbor en Nueva York, comenzó a pinchar Clevers para desarrollar organoides para el cáncer de páncreas, que es notoriamente difícil de tratar. Los modelos de cultivos celulares existentes no eran muy realistas, los dados de Tuveson, y la creación de ratones modificados genéticamente llevaron hasta un año, en comparación con hasta 3 semanas para los órganos de cáncer de páncreas.

Los organoides y han ayudado a aclarar los nuevos caminos que conducen al cáncer de páncreas, los dados de Tuveson y los datos no publicados sugieren que ayudar a los investigadores a predecir qué tratamientos son más efectivos. Él y Clevers están tratando de hacer los órganos se asemejan más estrechamente verdadero cáncer mediante la adición de estroma y células inmunes. El laboratorio Hubrecht también está implicado en dos ensayos para evaluar si los organoides de cáncer de colon cultivados a partir de pacientes individuales pueden predecir la respuesta al fármaco.

Charles Sawyers del Memorial Sloan Centro de Cáncer de Kettering de Nueva York está tratando de hacer organoides cáncer de próstata, pero él dice que son meticulosos. Organoides de tumores primarios en general no crecen; Los tejidos metálicos a veces lo hacen, pero las células normales suelen superar las células cancerosas. “Ellos parecen necesitar una gran cantidad de amor y cuidado, y no hay un método en la locura”, dice Sawyers, que ha tenido éxito con sólo 20 pacientes hasta el momento.

Pero Sawyers descubrió que creó un órgano a partir de tejido prostático normal “simplemente funciona muy bien”, dice, y luego utilizar técnicas de edición de genes como CRISPR para estudiar el cáncer de cualquier mutación que quiere. “¿Es esto un gen supresor de tumores? ¿Es el caso de un oncogén? ¿ Puede colaborar con el gen  XY ? Puede reproducir el tipo de juego en la escala que usted siempre quiso”, dados. Como dice Kuo, “Podemos construir el cáncer desde el principio”.

Otros investigadores del cáncer quieren en, también. Tuveson recibido tantas solicitudes de capacitación organizada que comenzó a recibir talleres regulares en su laboratorio. En 2016, el Instituto Nacional del Cáncer de Estados Unidos ha puesto en marcha un plan para desarrollar más de 1000 modelos de cultivo de células, incluyendo órganos, para los investigadores de todo el mundo a la semana, junto con el Cancer Research UK en Londres, del Instituto Wellcome Trust Sanger en Hinxton, Reino Unido, y CUBO.

El uso de organos adecuados para tratar el cáncer todavía se enfrenta a obstáculos. Tiempo de cultivo organoid, que varía por el cáncer, se debe acortar, y el costo, unos cuantos millas de dólares por paciente, tiene que bajar. Además, los cánceres se acumulan mutaciones genéticas a medida que progresan, lo que podría significar que un órgano aumentó de cáncer de un paciente desde el principio no podría reflejar su estado posterior. El embargo de Sin, “desde mi punto de vista es el avance más transformador en la investigación del cáncer, que se separa,” dice Tuveson.

Si todos los que exciten Clevers, que rara vez se muestra. Evita el lenguaje emocional mientras se discute su investigación, prefiriendo en el lugar de describir y explicar. Incluso los amigos cercanos a veces encuentran su pragmatismo desconcertante. “Habla de su investigación como alguien hablando de enroscar un tornillo”, dice Nieuwenhuis.

Clevers dice que recibir su alta de “la satisfacción de encontrar algo novedoso”, independientemente de las aplicaciones prácticas. Experimentos recientes, por ejemplo, sugieren que cuando un órgano carece de células LGR-5-positivas, las células diferenciadas pueden ser capaces de “dedifferentiate” y los tejidos que una reparación cambio radical de la calle de sentido único hacia identificaciones específicas se pensaba que Que las células madre viajar. “Algunos órganos no pueden tener un sistema de células madre en absoluto”, dados Clevers, con un toque de maravilla. Pero cuando se preguntó cómo se sentía al ver sus hallazgos tienen profundos beneficios para los pacientes como Fabian y Els van der Heijden, simplemente dados, “No me esperaba eso.”

Publicado en:

  • Doi: 10.1126 / science.aap7428

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