Muchos nuevos fármacos candidatos terminan fracasando porque causan efectos secundarios graves en los ensayos clínicos, a pesar de que las pruebas de laboratorio con cultivos celulares han tenido éxito. Esto es algo común si las células utilizadas provienen de tejido animal, por ejemplo.
Los cultivos celulares especialmente preparados a partir de tejido humano conocido como células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPS, por sus siglas en inglés) permiten una mayor confiabilidad en las pruebas, lo que también aumenta las posibilidades de que un medicamento sea aprobado.
Los investigadores de Fraunhofer han desarrollado soluciones innovadoras para optimizar la producción de células en biorreactores y criotecnologías únicas. Esto está allanando el camino para el uso eficiente en el mundo real de estos cultivos celulares en pruebas de toxicidad y descubrimiento de fármacos.
Los investigadores se enfrentan a un dilema si los participantes experimentan efectos secundarios graves durante los ensayos clínicos para probar nuevos ingredientes activos. A menudo, esto significa que se detendrá el desarrollo de un fármaco candidato prometedor, por lo que el fármaco nunca llegará al mercado.
Una de las causas fundamentales es que los candidatos a fármacos suelen probarse utilizando modelos de cultivo celular in vitro basados en células animales o primero en animales. En cualquier caso, existen límites en cuanto a qué tan bien los resultados de las pruebas se traducen en sujetos humanos. Eso significa que existe el riesgo de que los participantes del ensayo experimenten repentinamente efectos secundarios intolerables.
Los investigadores médicos tienen grandes esperanzas en lo que se conoce como células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPS). Estas células se originan a partir de tejido humano, por lo que son una base mucho más precisa para determinar cómo funcionarán las sustancias en seres humanos que las pruebas convencionales.
Las células se toman del tejido de la piel humana o de una muestra de sangre y luego se someten a un procedimiento especial de reprogramación en el laboratorio. Después de eso, ya no están programados para un solo tipo de tejido, por eso se les llama "pluripotentes".
Para fines de pruebas de drogas, las células hiPS pueden volver a diferenciarse en casi cualquier tipo de célula que se encuentre en el cuerpo humano. Esto reduce significativamente el riesgo de que se produzcan efectos secundarios indeseables en ensayos clínicos posteriores en humanos.
Las células necesarias para las pruebas se producen en biorreactores. Un equipo de investigadores encabezado por la Dra. Julia Neubauer, jefa del departamento de Tecnologías Criogénicas y de Células Madre del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica IBMT, ha logrado un avance significativo en la multiplicación y diferenciación de células hiPS en un biorreactor.
"Ahora es posible por primera vez ampliar el proceso, de modo que se creen grandes cantidades de células funcionales en poco tiempo", afirma Neubauer.
El desafío para los científicos de Fraunhofer que participaron en el proyecto conjunto R2U-Tox-Assay fue descubrir la mejor manera de replicar las condiciones ambientales que ocurren naturalmente en el cuerpo humano en un biorreactor para que las células se multipliquen rápidamente sin pérdida de funcionalidad.
"Hemos desarrollado y producido nuestro propio hidrogel elástico para que actúe como sustrato específicamente para el biorreactor. Las células se encuentran allí como en casa, por lo que pueden proliferar eficazmente. Los parámetros elegidos nos permiten producir cantidades relevantes para pruebas médicas de hasta varios miles de millones de células", explica Neubauer.
Los modelos celulares producidos de esta manera, que pueden diferenciarse en tejidos como el músculo cardíaco, la piel o las neuronas, pueden usarse luego en ensayos para probar candidatos a fármacos y determinar su toxicidad. Otra ventaja es que las células hiPS son células humanas que aún contienen la información del genoma del donante, lo que permite desarrollar pruebas adecuadas de nuevos principios activos para tratar enfermedades y trastornos que también tienen un componente genético.
Sin embargo, existe otro problema tanto para los investigadores de fármacos como para los centros médicos universitarios:el almacenamiento y la disponibilidad de cultivos celulares. Los investigadores de Fraunhofer ponen sus décadas de experiencia en criopreservación de células al servicio de esta cuestión.
Fraunhofer IBMT ha desarrollado métodos de criopreservación que no se encuentran en ningún otro lugar del mundo. Se utiliza nitrógeno líquido para enfriar los modelos celulares cultivados en el biorreactor desde aproximadamente más 23°C hasta -196° en dos segundos.
Los investigadores de Fraunhofer también han desarrollado una placa de cultivo celular especial con la que se pueden cultivar primero las células y luego congelarlas. En combinación con el rápido proceso de congelación, los medios de congelación especiales perjudican la formación de cristales de hielo en el tejido celular, lo que dañaría el material y lo dejaría blando. "Si alguna vez has congelado fresas en casa, estarás familiarizado con este efecto no deseado", dice Neubauer.
Ella y su equipo desarrollaron un protocolo de criopreservación detallado que describe el procedimiento correcto. El protocolo establece parámetros, como la velocidad de enfriamiento y los tiempos en que los medios de congelación deben surtir efecto, para los tipos específicos de células que se conservarán. Estos métodos garantizan que los cultivos de células humanas sensibles conserven su funcionalidad completa después de retirarlos del crioalmacenamiento y luego descongelarlos.
Las placas de cultivo celular estandarizadas permiten almacenar y transportar los cultivos celulares casi sin limitaciones para los análisis de alto rendimiento utilizados en la investigación farmacéutica. Los hospitales y laboratorios farmacéuticos pueden mantener cultivos celulares en stock para tener siempre las células adecuadas disponibles para pruebas de toxicidad y drogas.
Los conceptos refinados de biorreactor y crioalmacenamiento despejan el camino a seguir para el uso eficiente en el mundo real de células hiPS en la investigación médica. Las pruebas tradicionales in vitro con células animales y las pruebas con animales éticamente problemáticas son reemplazadas por sistemas de prueba significativamente más precisos.
"En general, los logros del R2U-Tox-Assay permiten un desarrollo más eficiente y seguro de candidatos a fármacos para tratar una variedad de enfermedades, incluidas enfermedades cardíacas y oculares e incluso trastornos neurológicos como la demencia", afirma Neubauer.
Proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft
