Los avances en microfluídica hacen posibles nuevos sistemas de diagnóstico y chips microfluídicos adaptados a nuevos requisitos y podrían suponer una reducción del coste de procesos antes costosos. Los procesos de tecnología de superficies también desempeñan un papel importante en la producción de sistemas lab-on-chip a escala industrial. El artículo complementa el estado de la investigación sobre microfluidos presentado en el número 2/2022.
Universidad de Friburgo: Control metabólico preciso del tejido tumoral tridimensional fuera del cuerpo [1].
Fig. 1: Los sistemas órgano-en-chip con células del propio paciente podrían permitir terapias personalizadasUnequipo de investigación dirigido por el Dr. Andreas Weltin, el Dr. Jochen Kieninger y Johannes Dornhof, del Instituto de Ingeniería de Microsistemas (IMTEK) de la Universidad de Friburgo, ha desarrollado un sistema que permite investigar el desarrollo de células tumorales fuera del cuerpo humano en una red tridimensional. El equipo ha realizado un sistema órgano-en-chip que puede medir y controlar las condiciones de cultivo y las tasas metabólicas de las células en cualquier momento mediante microsensores. Hasta ahora, esto sólo era posible en cultivos celulares tridimensionales. El sistema se ha desarrollado en colaboración con el Departamento de Ginecología Molecular de la Clínica de Ginecología y Obstetricia del Hospital Universitario RWTH de Aquisgrán. En el futuro, las células del propio paciente en sistemas organ-on-chip podrían permitir una terapia personalizada del cáncer (véase la Fig. 1) [2].
En los sistemas órgano-en-chip, los modelos de tejidos tridimensionales se conectan entre sí a través de un circuito artificial de tal forma que actúan en un microchip como órganos en miniatura. De este modo, los procesos fisiológicos -como el crecimiento de un tumor- pueden simularse y observarse fuera del cuerpo humano. El grupo de investigación desarrolló un diseño de chip con microsensores y microfluidos integrados que puede medir los metabolitos de las células directamente in situ. En su sistema, el equipo cultivó minitumores de cáncer de mama a partir de células madre individuales y utilizó los sensores electroquímicos para controlar el consumo de oxígeno y glucosa y la producción de lactato de las células a lo largo de una semana.
La plataforma permite el cultivo dinámico en 3D de organoides tumorales, mientras que antes se solían utilizar cultivos estáticos en 2D, que sólo pueden representar de forma limitada el complejo microentorno de un tumor. Además, el sistema de chips también puede utilizarse para comprobar el efecto de los fármacos en el metabolismo celular; por ejemplo, el efecto celular de los agentes quimioterapéuticos en el contexto de la investigación del cáncer podría registrarse cuantitativamente y en tiempo real.
El uso de células madre del propio paciente permite replicar un tumor original fuera del organismo. Esto podría ofrecer nuevas oportunidades para una terapia personalizada, por ejemplo en lo que respecta a la posible resistencia a determinados agentes quimioterapéuticos, algo crucial en el agresivo cáncer de mama triple negativo. En el futuro, debería ser posible probar inicialmente fármacos para un paciente en sistemas órgano-en-un-chip para comprobar su eficacia y efectos secundarios.
Los resultados subrayan el potencial de la integración de la tecnología de microsensores en los sistemas órgano-en-un-chip para la investigación del cáncer y el desarrollo de fármacos.
Fraunhofer IWS: de prototipo a producción en serie rápidamente con sistemas lab-on-chip [3].
Cada día se utiliza millones de veces en todo el mundo: como laboratorio portátil en formato miniatura, la prueba rápida del antígeno corona está demostrando claramente en la actualidad el potencial de los sistemas lab-on-chip. El análisis que permite realizar en pocos minutos es de inmensa importancia, especialmente durante la pandemia. Cada vez se utilizan más estos sistemas médicos en miniatura en el diagnóstico. Sin embargo, el desarrollo y la fabricación de sistemas de análisis más complejos conllevan costes elevados. En el proyecto de investigación SIMPLE-IVD, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos IWS trabajan con varios socios para desarrollar nuevos procesos y métodos de fabricación para la producción rentable de cartuchos de pruebas rápidas.
Fig. 2: En el proyecto SIMPLE-IVD se están desarrollando y probando reglas de diseño que permiten producir cartuchos de diagnóstico in vitro con una funcionalidad equivalente utilizando distintos procesos de fabricaciónLos sistemas lab-on-chipsólo miden unos centímetros, pero combinan en este reducido espacio diversas funcionalidades que en el pasado sólo eran posibles en laboratorios bien equipados. En el futuro desempeñarán un papel especialmente importante en la medicina personalizada. Las cantidades más pequeñas de líquidos procedentes de muestras de pacientes pueden analizarse de forma totalmente automática. La facilidad de manejo permitirá también en el futuro realizar diagnósticos de laboratorio centrados en el paciente. En los últimos años se han desarrollado en todo el mundo diversos sistemas lab-on-chip. Sin embargo, sólo unos pocos han salido al mercado. El obstáculo es la ampliación de las pruebas desarrolladas a escala de laboratorio para su producción en serie. El Fraunhofer IWS ha desarrollado una solución para estos problemas durante la industrialización.
El proyecto "Microfabricación escalable de sistemas poliméricos de diagnóstico in vitro" (SIMPLE-IVD) se centra en los cartuchos de diagnóstico in vitro (cartuchos IVD) para pruebas rápidas (Fig. 2). En la actualidad aún faltan procesos de producción de prototipos para la transición de pequeñas series a grandes cantidades. Para la producción en serie se utilizan procesos de fabricación aditiva o de laminación multicapa, es decir, la construcción en capas de películas poliméricas que se aplicarían en procesos de moldeo por inyección o de laminación. Hasta ahora, los fabricantes tenían que empezar de cero para escalar a un proceso diferente.
Con la ayuda de las nuevas reglas de diseño especiales desarrolladas en el IWS, los fabricantes pueden incorporar los requisitos de una amplia gama de procesos de fabricación para el desarrollo de prototipos, así como para series pequeñas y grandes en su diseño ya en la fase de planificación de los cartuchos IVD. Las normas de diseño ya se han desarrollado para varias tecnologías de fabricación clásicas. Además del moldeo por inyección y la fundición en vacío, también incluyen la laminación multicapa, la embutición profunda y varios procesos aditivos. También se pueden desarrollar lo antes posible soluciones específicas para cada aplicación. También sería posible en la práctica una traslación inversa de grandes a pequeñas series. Se dice que los conjuntos de diseño no sólo son interesantes para los fabricantes de cartuchos IVD. En la actualidad hay numerosas empresas biotecnológicas de nueva creación que necesitan precisamente estas posibilidades.
La principal ventaja de este método innovador es que los prototipos y los lotes pequeños pueden convertirse en soluciones industriales más rápido que antes. De este modo, los sistemas lab-on-chip alcanzan antes su madurez comercial y están disponibles más rápidamente para los usuarios. Los tiempos de desarrollo se reducen casi a la mitad con el nuevo método.
Los resultados se traducirán en un conjunto de datos universal al final del proyecto, en 2022. El proceso debería permitir producir cartuchos de DIV funcionalmente equivalentes. El objetivo es lograr la misma alta calidad de los productos finales utilizando métodos diferentes, lo que permitirá obtener resultados idénticos en la aplicación. Las pruebas IVD personalizadas permiten el cribado individualizado y permanente de enfermedades en el sector sanitario. También podrían utilizarse para aplicaciones de diagnóstico a domicilio en residencias de ancianos o centros asistenciales.
TU Dresden: Microfluidos para pruebas PCR rápidas y económicas [4].
Fig. 3: En la Universidad Técnica de Dresde se están desarrollando nuevos sistemas de pruebas PCR rápidas basados en microfluidosElobjetivo de un nuevo grupo de investigación junior de la Universidad Técnica de Dresde es desarrollar este año una prueba PCR rápida para Covid-19 y otros patógenos. La nueva prueba pretende combinar las ventajas de las pruebas rápidas de antígenos, es decir, resultados rápidos, con las ventajas de las pruebas PCR, es decir, alta precisión. Estas pruebas, mucho más eficaces, permitirán el diagnóstico exhaustivo de futuras oleadas y pandemias.
El diagnóstico exhaustivo de las infecciones por SRAS-CoV-2 ha demostrado ser una de las medidas más importantes y eficaces en la pandemia actual. Con él se pueden identificar rápidamente los focos de infección, aclarar las cadenas de infección, predecir con exactitud la incidencia regional y nacional de la infección y reducir de forma sostenible la dinámica de la infección. Las pruebas rápidas de antígenos son, con mucho, las más utilizadas. Éstas pueden realizarse en cualquier momento debido a su sencillo procedimiento de prueba y a su disponibilidad suficiente, pero sólo tienen una fiabilidad baja (entre el 40% y el 50% de las pruebas son falsos negativos o positivos).
Las pruebas PCR permiten un diagnóstico mucho más fiable, una mayor sensibilidad y la detección de nuevas mutaciones. Sin embargo, no pueden realizarse en tantos casos como las pruebas rápidas simples de antígenos. Requieren muchas más pruebas, personal especializado y costosos analizadores automatizados y productos químicos especiales, lo que limita las opciones de pruebas y está provocando actualmente cuellos de botella críticos en las pruebas.
Las pruebas rápidas de PCR (Fig. 3) pretenden representar una nueva generación de pruebas que combinen la simplicidad y buena disponibilidad de las pruebas rápidas con la alta sensibilidad y fiabilidad típicas de la PCR. Las nuevas pruebas que se van a desarrollar deberían proporcionar resultados muy fiables en menos de 20 minutos y requerir un 90 % menos de productos químicos de detección por prueba en comparación con las pruebas PCR.
El proyecto "Next Generation: Rapid tests for the resource-saving and highly sensitive diagnosis of viral and bacterial infections with multiplex LAMP-CoV Guard" está financiado por el Fondo Social Europeo como parte de la respuesta de la UE a la pandemia Covid-19. En la investigación participan el Instituto de Tecnología de Semiconductores y Microsistemas, el Instituto de Química Clínica y Medicina de Laboratorio y el Instituto de Microbiología Médica y Virología de la Universidad Técnica de Dresde.
El coordinador del proyecto Fraunhofer IWS, Florian Schmieder, comprueba el prototipo de un complejo cartucho de diagnóstico in vitro para la separación de sangre. En el proyecto SIMPLE-IVD, el Fraunhofer IWS está desarrollando nuevos métodos para la producción rentable de tales cartuchos (Foto: Fraunhofer IWS)
Bibliografía
[1] Fuente: Albert-Ludwigs-University Freiburg
[2] Dornhof, J.; Kieninger, J.; Muralidharan, H.; Maurer, J.; Urban, G.A.; Weltin, A.: Microfluidic organ-on-chip system for multi-analyte monitoring of metabolites in 3D cell cultures, En: Lab on a Chip, 22 (2) 2022, DOI: 10.1039/d1lc00689e (descarga gratuita sin registro)
[3] Fuente: Fraunhofer IWS Dresden
[4] Fuente: TU Dresden
