En 2015, Katsunori Tsuchiya, gerente a cargo de investigación y desarrollo en Dai Nippon Printing Co., Ltd. (DNP), descubrió que las células madre sembradas en un sustrato de cultivo estampado que habían desarrollado podían diferenciarse en células intestinales y formar el tracto intestinal en solo 90 días.
El órgano tridimensional que Tsuchiya y su equipo lograron crear se llama "mini-intestino" porque tiene las mismas capacidades de absorción y secreción que el tracto intestinal de un organismo vivo, y también exhibe movimientos peristálticos.* Su diámetro máximo es de aproximadamente 1 cm.
El "miniintestino" fue desarrollado por el Centro Nacional para la Salud y el Desarrollo Infantil (NCCHD) en colaboración con investigadores del DNP y la Universidad de Tohoku, y los resultados de la investigación se publicaron en la revista médica estadounidense "Journal of Clinical Investigation" en enero de 2017. Este fue el primer logro notable del mundo en la creación de un órgano con funciones intestinales in vitro a partir de células madre embrionarias humanas y células iPS.
Detrás de escena de esta presentación de investigación, DNP hizo una contribución importante al utilizar su "tecnología multicapa de película delgada", que es una versión avanzada de su tecnología de impresión y permite recubrir múltiples materiales funcionales de manera fina y uniforme.
- Peristalsis: Movimiento en el tracto digestivo de los animales que implica ondas de contracción muscular, como la locomoción de los gusanos y otros gusanos.
"Al aplicar la tecnología multicapa de película delgada de DNP al sustrato de cultivo, pudimos diferenciar células madre pluripotentes, como las células ES y las células iPS, en células con diversas funciones intestinales, y pudimos destacar la capacidad de autoorganización de las células con las mismas funciones. Cuando vi las células cultivadas realizando movimientos peristálticos ante mis ojos, al igual que el intestino humano, no podía creerlo", recuerda Tsuchiya. Para Tsuchiya, quien ha estado activo en los campos de desarrollo de tintas, pantallas, papel electrónico y más durante muchos años, fue el momento en que una vez más se dio cuenta de las maravillas de las ciencias de la vida.
Las células madre pluripotentes, como las células madre embrionarias (ES) y las células iPS, tienen la capacidad de diferenciarse en todo tipo de células. Se espera que se puedan crear in vitro células útiles para el desarrollo de nuevos tratamientos y fármacos, y la investigación en medicina regenerativa con estas células madre pluripotentes humanas se está llevando a cabo activamente en todo el mundo. En los últimos años, se han llevado a cabo investigaciones complejas para crear "órganos complejos similares a los de los organismos vivos", conocidos como organoides, in vitro.
Sin embargo, existen varios desafíos importantes en la creación de organoides como el intestino, cuya estructura y función son complejas. El intestino desempeña funciones digestivas, de absorción e inmunitarias, así como movimientos peristálticos. La creación de organoides con estas múltiples funciones in vitro se ha considerado extremadamente difícil.
La tecnología DNP contribuye a resolver problemas
La tecnología de DNP resolvió estos problemas y facilitó la creación exitosa de miniorganoides intestinales. DNP aplicó sus tecnologías, ya conocidas, en la fabricación de placas (creación de planchas de impresión), recubrimiento y modelado (formación de patrones precisos) para optimizar el sustrato para el cultivo celular. A continuación, se muestra cómo se aplicó.
Proceso de creación de miniintestinos en el sustrato de cultivo de patrones celulares "CytoGraph®"
Se aplica un material especial a la superficie de un sustrato de vidrio o plástico con un espesor de unos pocos nanómetros (10-9), y luego encima se aplica un material polimérico al cual las células no se adhieren, también con un espesor de unos pocos nanómetros (recubrimiento). Las células no se adhieren al sustrato creado de esta manera, sino que al irradiar un área específica con luz ultravioleta, se elimina la capa superior de polímero, creando un área a la que las células pueden adherirse (fabricación de placas).
Al crear un patrón en el sustrato con y sin una capa de polímero, y luego sembrar células sobre él, las células se agrupan solo en las áreas donde pueden adherirse porque no hay una capa de polímero, creando un grupo de células con patrón.
Los miniintestinos creados de esta manera pueden almacenarse en un tubo de ensayo durante largos periodos si se les suministran nutrientes, lo que permite realizar pruebas farmacológicas continuas. Por ello, el NCCHD y el DNP trabajan para que los miniintestinos se utilicen en la práctica como un sujeto de prueba extremadamente innovador en el desarrollo de nuevos fármacos. Su objetivo es establecer una tecnología de producción estable para los miniintestinos para 2021, y que el DNP establezca una tecnología de producción en masa para 2022 y comience a suministrarlos a compañías farmacéuticas y empresas de análisis.
Aunque el mecanismo detrás de la creación de miniintestinos apenas ha comenzado a dilucidarse, el DNP continuará trabajando en este tema en colaboración con NCCHD, una de las principales instituciones de investigación con células madre de Japón.
Historia del negocio de ciencias biológicas del DNP
DNP ha producido numerosos productos utilizando tecnología de impresión con procesamiento en unidades micrométricas (10⁻¹) y nanométricas. Aprovechando esta tecnología, la empresa se centra en el desarrollo comercial en el sector de las ciencias de la vida. Su historia comenzó con un kit de análisis de orina en 1985. Aplicando la tecnología de tinta enzimática desarrollada entonces, la empresa ha comercializado posteriormente tiras reactivas de saliva y kits de pruebas de embarazo, además de fabricar materiales de envasado para productos farmacéuticos y dispositivos médicos.
Software de cultivo celular que aplica la tecnología multicapa de película fina de DNP
DNP inició la investigación y el desarrollo a gran escala en el campo de la medicina a principios de la década del 2000. En 2004, en un proyecto de investigación conjunto con la Universidad Médica y Dental de Tokio, DNP aplicó su tecnología de fotomáscara (placa maestra utilizada en la producción de productos semiconductores) para establecer una técnica que permitiera transferir células cultivadas con patrones a un sustrato para crear capilares con patrones de aproximadamente 10 micrómetros de diámetro. Posteriormente, en 2006, DNP inició una investigación conjunta sobre medicina regenerativa con el Instituto de Ciencias Biomédicas Avanzadas de la Universidad Médica Femenina de Tokio. En 2008, en colaboración con la Universidad Médica Femenina de Tokio y otras entidades, DNP estableció una tecnología eficaz para la producción de películas de cultivo de láminas celulares para medicina regenerativa mediante tecnología de impresión. Además, DNP continuó desarrollando su tecnología de patrones celulares con la Universidad Médica y Dental de Tokio, comercializando el primer sustrato de cultivo con patrones celulares de Japón, "CytoGraph®". Esta tecnología sentó las bases del sustrato utilizado para crear el miniintestino.
Estos logros llamaron la atención del NCCHD. Hasta entonces, el DNP había desarrollado sustratos con propiedades adhesivas celulares distintivas y cultivado células derivadas de organismos vivos como vasos sanguíneos, corazón y hueso. En cambio, el NCCHD creía que el cultivo de células madre pluripotentes con patrones específicos podría permitir un control sin precedentes de la diferenciación celular, y la investigación colaborativa a gran escala comenzó en 2011.
Posteriormente, en 2014 se promulgó la Ley de Promoción de la Medicina Regenerativa, que alentó a las empresas privadas a ingresar al campo de la medicina regenerativa, y DNP comenzó a centrarse más en su negocio de ciencias biológicas, incluidos los sustratos de cultivo celular.
El objetivo actual del DNP es proporcionar un suministro estable de mini-intestinos a las compañías farmacéuticas, que luego los utilizarán para desarrollar nuevos medicamentos para enfermedades como enfermedades congénitas del intestino delgado, colitis ulcerosa y enfermedades inflamatorias crónicas del intestino de causa desconocida, como la enfermedad de Crohn.
Si los miniintestinos pudieran utilizarse en el desarrollo de nuevos fármacos, las compañías farmacéuticas podrían esperar un ahorro significativo en costos. Al evaluar compuestos candidatos para fármacos, se podrían utilizar organoides derivados del cuerpo humano, extremadamente similares a los órganos, para recopilar datos de reacciones químicas y buscar compuestos a partir de ellos. También sería posible confirmar la eficacia y seguridad de los fármacos sin utilizar animales.
De hecho, desarrollar nuevos fármacos requiere enormes inversiones. Según el informe "Tiempo y Costos de Desarrollo de Fármacos - Resultados de la Encuesta", publicado en la Serie de Documentos de Investigación n.º 59 (julio de 2013) por el Instituto de Investigación de la Industria Farmacéutica, la inversión total promedio por proyecto de investigación y desarrollo de fármacos es de 50 000 millones de yenes. Además, de los proyectos de descubrimiento de fármacos que pasan de ensayos preclínicos con animales a ensayos clínicos en humanos, solo uno de cada 5,6 recibe finalmente la aprobación. En otras palabras, incluso con grandes inversiones, muy pocos fármacos son aprobados.
La División 3 de Investigación y Desarrollo de Tecnología de Conversión, parte del Centro de Investigación y Desarrollo donde Tsuchiya se desempeña como gerente general, tiene como objetivo producir de manera constante mini-intestinos y ha estado operando una Instalación de Procesamiento de Células (CPF) dentro de la Instalación de Investigación DNP Kashiwa desde 2017. Las bacterias están estrictamente controladas en este laboratorio, y los empleados deben cambiarse de ropa dos veces antes de ingresar y solo se permiten dos personas a la vez.
El desafío futuro es una mayor aplicación de la tecnología DNP
La mayoría de los miembros del departamento de Tsuchiya tienen formación en ciencias de la vida, con especialización en biología o farmacología. El propio Tsuchiya se especializó en materiales en el DNP, pero su experiencia trabajando en una empresa de bioinversión durante su estancia en Estados Unidos (2005-2009) fue reconocida, y fue transferido a su departamento actual en 2010. «Al principio no entendía la situación, pero poco a poco me fui fascinando por las células. Cuando tienes 10 células, cada una se comporta de forma diferente. Su sensibilidad y su dificultad para controlarlas es lo que me fascina».
Tsuchiya también es ejecutivo del Foro de Innovación en Medicina Regenerativa, una asociación general que promueve la medicina regenerativa. "A través de estas actividades, nuestro objetivo es aumentar la presencia del DNP en el campo de la medicina regenerativa", afirma, visitando empresas, ministerios y agencias gubernamentales mientras trabaja incansablemente para promover la difusión de la medicina regenerativa.
Un reto futuro es integrar aún más la tecnología de DNP con la de las ciencias de la vida. "Para que DNP sea único en el campo de las ciencias de la vida, necesitamos aplicar aún más la tecnología de impresión que DNP ha desarrollado en este campo. La clave para ello es que cada investigador comprenda plenamente la tecnología y reflexione sobre cómo utilizarla", afirmó, mostrando su entusiasmo por un mayor desarrollo en el campo de las ciencias de la vida.
- Fecha de lanzamiento: 16 de abril de 2018
- Tenga en cuenta que los detalles como los nombres de los departamentos y las especificaciones del producto son precisos en el momento de la entrevista y pueden estar sujetos a cambios sin previo aviso.
16 de abril de 2018 por el Departamento Editorial de Discover DNP
