El equipo de investigación dirigido por el profesor Sato de Universidad de Keio ha desarrollado una tecnología novedosa que podría aplicarse a la investigación de enfermedades hepáticas, la evaluación de fármacos y el trasplante celular. En definitiva, estos avances indican que la investigación sobre el hígado está entrando en una nueva era transformadora.

El hígado es un órgano multifuncional esencial para la supervivencia, ya que metaboliza carbohidratos, lípidos y proteínas, desintoxica fármacos y sintetiza y secreta ácidos biliares. Sin embargo, los hepatocitos humanos primarios son difíciles de mantener en cultivos ex vivo a largo plazo, lo que ha limitado su uso en el desarrollo de fármacos y la investigación de enfermedades.

Para superar estas limitaciones, un equipo de investigación liderado por el profesor Toshiro Sato del Departamento de Bioquímica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Keio desarrolló una tecnología de organoides de hepatocitos que permite el cultivo a largo plazo preservando las funciones hepatocelulares. Con la aplicación de este enfoque, el equipo logró desarrollar un modelo funcional que reproduce funciones hepáticas fundamentales, como el metabolismo de fármacos, la síntesis de ácidos biliares y el ciclo de la urea.

Se estima que estos hallazgos tendrán amplias aplicaciones, incluidas pruebas de toxicidad para el desarrollo de fármacos, la elucidación de la fisiopatología de la enfermedad hepática esteatósica y el avance de la medicina regenerativa a través del trasplante de células.

Acerca de los investigadores

Dr. Toshiro Sato

Profesor, Departamento de Medicina Integrada y Bioquímica, Facultad de Medicina de la Universidad de Keio

El profesor Sato ha realizado importantes aportes a la investigación de organoides en múltiples órganos, como el intestino, el hígado y el páncreas, y se dedica al desarrollo de tecnologías para reconstruir tejidos funcionales a partir de células madre tisulares. Se desempeña como director de proyectos de varios programas de investigación, incluido el Proyecto de diseño de organoides SATO del programa ERATO de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST), y lidera la investigación sobre organoides tanto a nivel nacional como internacional.

Dr. Ryo Igarashi
Profesor asistente de proyecto, Departamento de Medicina Integrada y Bioquímica, Facultad de Medicina de la Universidad de Keio

El Dr. Igarashi se especializa en tecnologías de cultivo de organoides de hepatocitos y análisis funcionales, y se dedica a la construcción de modelos de enfermedades hepáticas y a la evaluación de la respuesta a fármacos.

¿En qué áreas de investigación sobre organoides está enfocado actualmente?

Profesor Sato: Actualmente, estamos trabajando en el desarrollo de organoides funcionales que reconstruyen no solo la morfología de los órganos, sino también sus funciones, utilizando organoides derivados de tejido humano. En concreto, a través del Proyecto de diseño de organoides SATO del programa ERATO de la JST, buscamos reproducir redes que regulan la homeostasis fisiológica a partir de células madre tisulares. También estamos avanzando en la construcción de organoides con funciones complejas, como la absorción, el metabolismo, la secreción y la transducción de señales, en órganos como el hígado, el intestino y el páncreas.

¿Cómo se desarrollaron los organoides de hepatocitos funcionales para replicar funciones hepáticas clave in vitro?

Profesor Sato: El hígado realiza muchas funciones esenciales, como metabolizar carbohidratos, lípidos y proteínas, desintoxicar fármacos y sintetizar ácidos biliares. Contar con modelos in vitro capaces de reproducir estas funciones facilitaría enormemente el desarrollo de fármacos, la evaluación de la toxicidad y el estudio de los mecanismos de las enfermedades.

Sin embargo, los hepatocitos humanos primarios convencionales (HHP) pierden rápidamente su funcionalidad al ser aislados, por lo que no son adecuados para el cultivo a largo plazo ni para la manipulación genética. Para abordar esta limitación, utilizamos HHP como material de partida para generar organoides de hepatocitos proliferativos, también conocidos como organoides de hepatocitos humanos en expansión (OHHe). Mediante la inducción de la diferenciación posterior, desarrollamos organoides de hepatocitos humanos diferenciados (OHHd) que presentan una expresión mejorada de enzimas metabolizadoras de fármacos, enzimas del ciclo de la urea y enzimas sintetizadoras de ácidos biliares.

Esta investigación, realizada como parte del proyecto ERATO de la JST, tiene como objetivo establecer los organoides no solo como “miniórganos”, sino como “modelos funcionales” capaces de reproducir funciones orgánicas intrínsecas in vitro. En el caso del hígado, es particularmente importante construir modelos que reproduzcan las estructuras y funciones in vivo, como la zonación² y las estructuras canaliculares biliares responsables de la excreción de bilis. El logro actual representa un importante paso adelante en esta dirección.

Dr. Igarashi: Los HHP son muy valiosos, pero su uso se ha visto limitado por la variabilidad en su viabilidad y función. Utilizando la tecnología actual, logramos un cultivo estable de OHHe derivados de HHP durante más de 100 días, con una expansión superior a un millón de veces. Mediante la inducción de la diferenciación, pudimos reproducir diversas funciones hepatocelulares in vitro a niveles comparables a los observados in vivo. Estos organoides también pueden servir como modelos para la enfermedad hepática esteatósica y trastornos metabólicos congénitos, y reflejar características como la acumulación de adiposomas³ y las respuestas a los fármacos. Tienen el potencial de mejorar significativamente la reproducibilidad de la enfermedad y aumentar la precisión en la evaluación de fármacos.

² Zonación: los hepatocitos que se encuentran dentro del tejido hepático no son homogéneos; el hígado consiste en numerosas estructuras lobulares, con funciones metabólicas distintas asignadas a regiones específicas. Esta organización, conocida como zonación, da lugar a actividades reguladas regionalmente como la gluconeogénesis, el ciclo de la urea y el metabolismo de los fármacos.

³ Adiposomas: pequeñas estructuras esféricas compuestas principalmente de lípidos neutros que se acumulan dentro de las células. En los hepatocitos, la acumulación de adiposomas es un marcador clave de la enfermedad hepática esteatósica, lo que la convierte en un parámetro crítico para el monitoreo en modelos de organoides.

¿Cómo contribuye la tecnología de adquisición de imágenes avanzada a la visualización y el análisis de la estructura y la función de los organoides?

Profesor Sato: Los organoides de hepatocitos son relativamente gruesos, lo que puede dificultar la observación de sus estructuras internas. El método de contraste de gradiente integrado en el microscopio de fluorescencia de mesa APEXVIEW™ APX100 supera esta limitación, lo que permite visualizar con claridad los detalles finos de los adiposomas (figura 1a). Especialmente al evaluar modelos de enfermedades hepáticas esteatósicas, la capacidad de visualizar tanto la acumulación como la distribución espacial de estos adiposomas constituye una métrica crucial para validar la reproducibilidad de la enfermedad.

El método de contraste de gradiente genera imágenes de alto contraste incluso en recipientes de cultivo de plástico estándar, lo que asegura una observación óptima sin modificar las condiciones de cultivo habituales. Además, el sistema permite el uso de objetivos de larga distancia de trabajo, logrando imágenes claras de los organoides ubicados en posiciones elevadas dentro de Matrigel (figura 1b). El hecho de poder monitorear directamente el estado de los organoides durante el cultivo diario, sin necesidad de recipientes especializados ni preparación previa, aporta ventajas considerables para la eficiencia y la reproducibilidad de la investigación.

Dr. Igarashi: Para la obtención de imágenes de fluorescencia o la adquisición de datos cuantitativos, obtener datos es fundamental confiables de forma eficiente. El APX100 admite hasta tres especímenes en portaobjetos simultáneamente, lo que permite una rápida localización a nivel macroscópico y un funcionamiento intuitivo mediante el Administrador de procesos, que optimiza la adquisición de imágenes compuestas. Su capacidad para obtener imágenes de alta resolución y de gran área en poco tiempo permite una evaluación consistente tanto de la arquitectura general del tejido como de las estructuras locales.

En este estudio, las imágenes adquiridas con el APX100 demostraron claramente que los organoides de hepatocitos humanos trasplantados en el hígado de ratón se diferenciaron y reprodujeron la estructura de zonación del hígado, con funciones metabólicas distribuidas desde la vena porta⁴ hasta la vena central⁵ (figura 2).

Al combinar la adquisición de imágenes de alta fidelidad con la eficiencia operativa, el APX100 se convierte en una potente herramienta para optimizar las actividades diarias de investigación.

⁴ Vena porta: la vena porta, una estructura clave dentro del lobulillo hepático, transporta los nutrientes absorbidos del tracto digestivo, incluidos los intestinos, hacia el hígado. Los hepatocitos que rodean la vena porta desempeñan funciones relacionadas con el metabolismo de los nutrientes, como la gluconeogénesis y la desintoxicación del amoníaco.

⁵ Vena central: estructura ubicada dentro del lobulillo hepático que recoge la sangre procesada por los hepatocitos y la drena hacia la circulación sistémica. Los hepatocitos que rodean la vena central realizan funciones como el metabolismo de fármacos y el metabolismo de lípidos.

⁶ STEM121: anticuerpo que reconoce un antígeno expresado específicamente en células humanas, utilizado como marcador para identificar células humanas trasplantadas en tejido de ratón.

⁷ HAL (histidina amoníaco liasa): enzima altamente expresada en los hepatocitos que rodean la vena porta. Cumple un papel clave en el metabolismo de los aminoácidos y la gluconeogénesis, actuando como marcador funcional de la actividad metabólica de nutrientes del hígado.

⁸ CYP2E1 (citocromo P450 2E1): enzima metabolizadora de xenobióticos altamente expresada en hepatocitos que rodean la vena central. Interviene en el metabolismo de los xenobióticos y el procesamiento de los lípidos, sirviendo como un marcador fundamental para la zonificación funcional y la diferenciación del hígado.

¿Cómo prevé que evolucionará su investigación en el campo de la tecnología de organoides?

Profesor Sato: De cara al futuro, nuestro objetivo es desarrollar modelos de enfermedad más precisos utilizando organoides de hepatocitos con mutaciones genéticas específicas de la enfermedad, acelerando las aplicaciones en el desarrollo de fármacos y la medicina regenerativa como alternativas a los experimentos con animales. En particular, se espera que la tecnología de organoides desempeñe un papel cada vez más importante como un enfoque terapéutico novedoso para la insuficiencia hepática y las enfermedades hepáticas hereditarias.

En este contexto, los sistemas de adquisición de imágenes deben combinar un alto rendimiento óptico con un funcionamiento fácil de usar e intuitivo. Como nuestro laboratorio acoge a un gran número de estudiantes, la facilidad de uso es un factor primordial que influye en la eficiencia general de nuestra investigación. Prevemos que los sistemas de adquisición de imágenes seguirán evolucionando como infraestructura indispensable, lo que permitirá a los investigadores adquirir datos de alta fidelidad con mayor rapidez y consistencia.

Capacidades de adquisición de imágenes favoritas para la investigación de organoides

2. Alta versatilidad y compatibilidad con recipientes de plástico

La microscopía DIC depende de la luz polarizada, la cual se distorsiona debido a la birrefringencia inherente de los recipientes de plástico, lo que dificulta la observación precisa.

Por el contrario, la microscopía de contraste de gradiente no utiliza luz polarizada, lo que permite obtener imágenes estables en recipientes de plástico y una aplicación flexible para el monitoreo rutinario de las condiciones celulares.

Cuando se combina con objetivos de gran distancia de trabajo, como la serie LUCPLFLN, la técnica de contraste de gradiente puede adaptarse a especímenes gruesos o recipientes con fondos elevados, lo que permite la observación sin restricciones en cuanto al tipo de muestra o recipiente. Esta capacidad permite una amplia gama de aplicaciones (ver el ejemplo de la Universidad de Keio: figura 1(b).

Referencias

Para obtener información detallada sobre este estudio, consulte la siguiente publicación:

Igarashi, R., Oda, M., Okada, R., Yano, T., Takahashi, S., Pastuhov, S., Matano, M., Masuda, N., Togasaki, K., Ohta, Y., Sato, S., Hishiki, T., Suematsu, M., Itoh, M., Fujii, M. y Sato, T. 2025. “Generation of Human Adult Hepatocyte Organoids with Metabolic Functions”. Nature.

Aviso legal: Las opiniones y declaraciones expresadas en esta entrevista son las del investigador y no reflejan necesariamente los puntos de vista o las afirmaciones de Evident. Los productos y tecnologías mencionados están destinados únicamente a uso en investigación y no están diseñados para aplicaciones clínicas o de diagnóstico.