LABORATORIO DE URGENCIAS

Pasar la Barrera Hematoencefálica - Mejora Modelos Experimentales Para Administrar Fármacos

                                         Cynthia Hajal; Giovanni Offeddu; Yoojin Shin, Shun Zhang, Olga Morozova, Roger Kamm et al
                      
                                                                                         Nature Protocols (2022), vol 17:95 -128

No toda la investigación biomédica puede realizarse en voluntarios humanos, por lo que los investigadores suelen utilizar animales, denominados modelos in vivo, para imitar la patología humana y contribuir al desarrollo de nuevas terapias. Sin embargo, el estudio de la barrera hematoencefálica (BHE) en modelos animales presenta dificultades que impiden su aplicación precisa en el ámbito clínico.
Esto ha generado una necesidad sustancial de desarrollar métodos in vitro representativos de la fisiología humana para explorar métodos que permitan administrar eficazmente terapias contra el cáncer a través de la BHE. Los modelos de cáncer in vitro son esenciales para la investigación oncológica y necesarios para avanzar en el descubrimiento y desarrollo de fármacos. Se utilizan para ayudar a los investigadores a comprender cómo interactúan las células y otros mediadores biológicos. Estos modelos pueden utilizarse para explorar estrategias terapéuticas considerando las complejidades individuales del cáncer de cada paciente.
Un estudio describe una novedosa técnica in vitro para modelar la BHE dentro de un sistema de microfluidos. El protocolo mejora las técnicas actuales de BHE in vitro, que solo utilizan una capa de células que no logran recapitular la organización tridimensional de la vasculatura cerebral. La nueva metodología incorpora los tres tipos principales de células presentes en la BHE: células endoteliales (CE, las células que recubren los vasos sanguíneos), pericitos (CP, células ubicadas cerca de las CE en los vasos sanguíneos) y astrocitos (AC, células que secretan proteínas necesarias para la composición de la BHE). Las CE, CP y AC se integran en una matriz de gel tridimensional en un dispositivo microfluídico, un instrumento de laboratorio que analiza fluidos corporales, incluidos los componentes celulares, en un microchip.
Una vez integradas en la matriz, las células interactúan y forman una réplica de la BHE humana. Cabe destacar que los investigadores demuestran que las CE de su modelo de BHE in vitro expresan un perfil genético similar al de las CE del cerebro humano observadas. Además, la permeabilidad de las moléculas en este modelo de BHE es comparable a la medida in vivo.
El artículo describe el novedoso método para desarrollar este modelo de BHE in vitro, clínicamente relevante. Los autores también proporcionan instrucciones para medir la permeabilidad al utilizar este sistema. El protocolo detallado permitirá a otros investigadores utilizar este modelo para investigar métodos que mejoren la administración de fármacos a través de la barrera hematoencefálica (BHE) y desarrollar nuevos fármacos contra el cáncer.
Los modelos y metodologías vasculares cerebrales que desarrollamos pueden ayudar a acelerar el desarrollo de medicamentos para enfermedades neurológicas que actualmente no tienen cura.
La vasculatura tumoral es un factor importante para el desarrollo y la progresión de la mayoría de los tipos de cáncer, no solo de aquellos que afectan al cerebro y al sistema nervioso central. Al igual que la BHE, los vasos sanguíneos que rodean los cánceres fuera del sistema nervioso central aportan los nutrientes necesarios para el crecimiento y la expansión tumoral. Muchos cánceres inician un proceso biológico llamado angiogénesis, que promueve el desarrollo de nuevos vasos sanguíneos para facilitar la progresión y propagación del cáncer. La angiogénesis asociada al cáncer se caracteriza por la formación de una vasculatura desorganizada y disfuncional. Por lo tanto, las redes vasculares únicas que crecen alrededor de los tumores permiten el suministro de factores de crecimiento y nutrientes al cáncer, pero restringen la administración de fármacos anticancerígenos.
La formación de tejido conectivo excesivo alrededor de un tumor mamario, conocida como desmoplasia mamaria, suele asociarse con un mal pronóstico. Estos tipos de diagnósticos de cáncer de mama son difíciles de tratar debido, en parte, a la diversidad de la vasculatura que se forma alrededor del tumor. Debido a la poca consistencia entre pacientes, determinar un tratamiento estándar ha resultado complicado. El mismo grupo de investigación ha aplicado su técnica a otro estudio relevante para mejorar el tratamiento del cáncer de mama. Una preimpresión de este manuscrito, publicada a través de bioRxiv, ha utilizado modelos in vitro personalizados para explorar maneras de mejorar la administración de fármacos al cáncer de mama.
El estudio empleó una herramienta in vitro única, denominada tumoroides, generada a partir de células y tejido derivados de pacientes con cáncer de mama. En condiciones in vitro específicas, los tumoroides se agrupan en una orientación tridimensional que puede imitar el microambiente tumoral (EMT) del cáncer de mama. Los tumoroides utilizados para el estudio de preimpresión replicaron aspectos específicos del cáncer de mama, incluyendo una vascularización deficiente que impide la administración de fármacos al tumor. Este sistema proporcionó a los investigadores una estrategia innovadora para explorar métodos de administración de terapias críticas directamente al tejido canceroso.
El cáncer de mama es una enfermedad diversa que a menudo se describe en función de los receptores presentes o ausentes en cada paciente. Los médicos suelen considerar la expresión del receptor de estrógeno (RE), el receptor de progesterona (RP) y el receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano (HER2) en una paciente al determinar el tratamiento adecuado. El estudio también consideró estos factores, generando tumoroides que modelan tres subconjuntos específicos de cáncer de mama: ER+/PR+, HER2+ y ER-/PR-/HER2- (a menudo denominados triple negativos).
El modelado tridimensional in vivo descrito anteriormente presenta una excelente técnica para estudiar el impacto de la vasculatura tumoral en la administración de fármacos. Utilizando los modelos tumoroides, los autores identificaron varios factores que dificultaban la administración del fármaco al tumor. Los investigadores midieron niveles elevados de ácido hialurónico alrededor de las células tumorales y lo reconocieron como un indicador asociado con una administración deficiente del fármaco. También observaron una reducción de la capacidad de perfusión en los vasos más cercanos a las células tumorales, lo que dificultaba aún más la administración del fármaco. Finalmente, los investigadores descubrieron que la elevada presión del líquido intersticial alrededor de los tumoroides impedía la distribución eficaz del fármaco a las células cancerosas.
Posteriormente, los autores utilizaron los modelos tumoroides para estudiar cómo las nuevas terapias podrían abordar los factores que se asocian negativamente con la administración de fármacos. Sus datos sugieren dos posibles dianas terapéuticas para mejorar la distribución del fármaco al tumor. Una diana es la citocina interleucina 8 (IL8), un mediador inmunitario proinflamatorio que influye en la formación de vasos sanguíneos. Los investigadores descubrieron que el tratamiento con un anticuerpo bloqueó la IL8, evitó la sobreexpresión del ácido hialurónico, restableció la capacidad de perfusión y redujo la presión del líquido intersticial de perfusión. El estudio sugiere que la IL-8 podría ser una diana eficaz para combatir los efectos negativos de la disfunción vascular inducida por tumores. Una mayor investigación de anti-IL-8 y otras modalidades que corrigen la disfunción vascular, como terapia anticancerígena, podría mejorar significativamente la distribución del fármaco en los tumores de mama.
Los estudios demuestran estrategias muy innovadoras para modelar sistemas que han resultado desafiantes para los investigadores.
Los protocolos desarrollados por este equipo de investigadores, utilizando dispositivos microfluídicos tridimensionales, tienen el potencial de mejorar significativamente estas áreas de investigación. Este trabajo presenta alternativas prácticas a los modelos animales para estudiar tanto la barrera hematoencefálica (BHE) como el cáncer de mama desmoplásico.
Las tecnologías podrían aplicarse a otros cánceres y enfermedades que actualmente carecen de modelos experimentales adecuados.