Pulmón-en-un-chip. Fuente: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering.
Un equipo de investigadores del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de la Universidad de Harvard (en Estados Unidos) ha conseguido imitar un edema pulmonar (una acumulación anormal de líquido en los pulmones) en un microchip recubierto de células humanas vivas, publica la revista Science Translation Medicine.
Los científicos usaron este “pulmón-en-un-chip” para analizar la toxicidad de un fármaco y para determinar nuevas terapias posibles de prevención de esta enfermedad, que es potencialmente mortal.
El estudio constituye una prueba de que el concepto de "órganos-en-chips" puede acabar sustituyendo a los métodos más tradicionales de descubrimiento y desarrollo de medicamentos, informa el Wyss Institute en un comunicado.
Canales de cristal cubiertos por células humanas
"Las principales compañías farmacéuticas gastan mucho tiempo y una gran cantidad de dinero en cultivos celulares y en experimentación con animales para desarrollar nuevos fármacos", explica Donald Ingber, director y fundador del Wyss Institute, y autor principal del estudio, “pero estos métodos no suelen predecir los efectos de estos agentes en los seres humanos”, añade el investigador.
El dispositivo de “pulmón-en-un-chip”, descrito por el equipo de Ingber por vez primera hace dos años, consiste en un polímero (una agrupación de varias moléculas) de cristal transparente y flexible, del tamaño de una tarjeta de memoria extraíble.
En su interior, este minúsculo aparato contiene canales huecos que fueron fabricados con técnicas de producción de microchips informáticos. Dos de estos canales están separados por una membrana delgada, flexible y porosa, revestida en uno de sus lados con células de pulmón humano –concretamente, del alvéolo pulmonar - y expuesta al aire. En el otro lado de la membrana, fueron colocadas células humanas de vasos capilares (sanguíneas).
El espacio vacío de otros dos canales, situados a ambos lados de los dos primeros, hace que esta estructura de tejidos conectados se deforme, para recrear la manera en que los tejidos de los pulmones humanos se expanden y contraen con la respiración.
Los científicos usaron este “pulmón-en-un-chip” para analizar la toxicidad de un fármaco y para determinar nuevas terapias posibles de prevención de esta enfermedad, que es potencialmente mortal.
El estudio constituye una prueba de que el concepto de "órganos-en-chips" puede acabar sustituyendo a los métodos más tradicionales de descubrimiento y desarrollo de medicamentos, informa el Wyss Institute en un comunicado.
Canales de cristal cubiertos por células humanas
"Las principales compañías farmacéuticas gastan mucho tiempo y una gran cantidad de dinero en cultivos celulares y en experimentación con animales para desarrollar nuevos fármacos", explica Donald Ingber, director y fundador del Wyss Institute, y autor principal del estudio, “pero estos métodos no suelen predecir los efectos de estos agentes en los seres humanos”, añade el investigador.
El dispositivo de “pulmón-en-un-chip”, descrito por el equipo de Ingber por vez primera hace dos años, consiste en un polímero (una agrupación de varias moléculas) de cristal transparente y flexible, del tamaño de una tarjeta de memoria extraíble.
En su interior, este minúsculo aparato contiene canales huecos que fueron fabricados con técnicas de producción de microchips informáticos. Dos de estos canales están separados por una membrana delgada, flexible y porosa, revestida en uno de sus lados con células de pulmón humano –concretamente, del alvéolo pulmonar - y expuesta al aire. En el otro lado de la membrana, fueron colocadas células humanas de vasos capilares (sanguíneas).
El espacio vacío de otros dos canales, situados a ambos lados de los dos primeros, hace que esta estructura de tejidos conectados se deforme, para recrear la manera en que los tejidos de los pulmones humanos se expanden y contraen con la respiración.
Quimioterapia aplicada al chip
En este prototipo ya ha sido probado un fármaco de quimioterapia contra el cáncer, la interleucina-2 o IL-2 que, entre otros efectos secundarios, puede provocar edema pulmonar, una afección mortal que hace que los pulmones se llenen de líquido y que en ellos se formen coágulos de sangre.
Cuando la IL-2 fue inyectada en el canal de sangre del pulmón-en-un-chip, el fármaco se filtró a través de la membrana y de dos capas de tejido, reduciendo el volumen de aire y comprimiendo el transporte de oxígeno en el canal compuesto por células pulmonares y aire – del mismo modo que sucede en los pulmones de pacientes humanos cuando se les administran dosis equivalentes de IL-2 en el mismo periodo de tiempo-.
Proteínas de plasma sanguíneo también se cruzaron al canal de aire, lo que provocó la formación de coágulos de sangre en él, al igual que puede sucederles a los enfermos tratados con IL-2.
La sorpresa del chip-pulmón
Este experimento con el pulmón-en-un-chip albergó, sin embargo, una sorpresa, a pesar de todas las similitudes detectadas entre las reacciones del dispositivo y de los humanos al inyectar el mismo medicamento en ambos.
El chip reveló, concretamente, que el acto físico de respirar mejora en gran medida los efectos de la IL-2 en el edema pulmonar. Este hecho es "algo que ni médicos ni científicos habían sospechado nunca antes", afirma Ingber.
Cuando los investigadores activaron el vacío conectado al chip para estimular la “respiración” de este, el movimiento incrementó la filtración de fluido más de tres veces, a pesar del tratamiento. Posteriormente, los científicos confirmaron que esta misma respuesta se daba en un modelo animal de edema pulmonar con el que compararon los efectos observados en el pulmón-chip.
Estos resultados sugieren que si los médicos aplicasen a sus pacientes un respirador al suministrarles la IL-2, podrían minimizar los efectos secundarios negativos de este fármaco, afirman los investigadores.
Futuros fármacos desarrollados a partir de órganos-chip
Pero lo más emocionante de las pruebas realizadas, de cara el futuro, es que "este modelo de edema pulmonar humano en un chip puede ser usado también para identificar nuevos agentes terapéuticos", afirma Ingber.
Por todo, los científicos del Wyss Institute se sienten muy satisfechos. Según Ingber, “en tan solo algo más de dos años, hemos pasado de mostrar el diseño inicial del pulmón-en-un-chip a demostrar su potencial para la modelización de una enfermedad humana compleja, lo que creemos que proporciona una visión de cómo serán en el futuro el descubrimiento y el desarrollo de nuevos fármacos”
“Los órganos-en-un-chip representan un nuevo método para modelar la estructura, la biología y el funcionamiento de los órganos humanos, tal y como ha evidenciado la respiración compleja de este pulmón de ingeniería. La acción de respirar en este dispositivo ha resultado clave para entender la etiología del edema pulmonar”, afirman los investigadores, que añaden que estos resultados deberían impulsar la extensión del “uso de este tipo de microsistemas en el estudio de las patologías, y suponen una esperanza para la identificación de nuevas dianas terapéuticas”.
En este prototipo ya ha sido probado un fármaco de quimioterapia contra el cáncer, la interleucina-2 o IL-2 que, entre otros efectos secundarios, puede provocar edema pulmonar, una afección mortal que hace que los pulmones se llenen de líquido y que en ellos se formen coágulos de sangre.
Cuando la IL-2 fue inyectada en el canal de sangre del pulmón-en-un-chip, el fármaco se filtró a través de la membrana y de dos capas de tejido, reduciendo el volumen de aire y comprimiendo el transporte de oxígeno en el canal compuesto por células pulmonares y aire – del mismo modo que sucede en los pulmones de pacientes humanos cuando se les administran dosis equivalentes de IL-2 en el mismo periodo de tiempo-.
Proteínas de plasma sanguíneo también se cruzaron al canal de aire, lo que provocó la formación de coágulos de sangre en él, al igual que puede sucederles a los enfermos tratados con IL-2.
La sorpresa del chip-pulmón
Este experimento con el pulmón-en-un-chip albergó, sin embargo, una sorpresa, a pesar de todas las similitudes detectadas entre las reacciones del dispositivo y de los humanos al inyectar el mismo medicamento en ambos.
El chip reveló, concretamente, que el acto físico de respirar mejora en gran medida los efectos de la IL-2 en el edema pulmonar. Este hecho es "algo que ni médicos ni científicos habían sospechado nunca antes", afirma Ingber.
Cuando los investigadores activaron el vacío conectado al chip para estimular la “respiración” de este, el movimiento incrementó la filtración de fluido más de tres veces, a pesar del tratamiento. Posteriormente, los científicos confirmaron que esta misma respuesta se daba en un modelo animal de edema pulmonar con el que compararon los efectos observados en el pulmón-chip.
Estos resultados sugieren que si los médicos aplicasen a sus pacientes un respirador al suministrarles la IL-2, podrían minimizar los efectos secundarios negativos de este fármaco, afirman los investigadores.
Futuros fármacos desarrollados a partir de órganos-chip
Pero lo más emocionante de las pruebas realizadas, de cara el futuro, es que "este modelo de edema pulmonar humano en un chip puede ser usado también para identificar nuevos agentes terapéuticos", afirma Ingber.
Por todo, los científicos del Wyss Institute se sienten muy satisfechos. Según Ingber, “en tan solo algo más de dos años, hemos pasado de mostrar el diseño inicial del pulmón-en-un-chip a demostrar su potencial para la modelización de una enfermedad humana compleja, lo que creemos que proporciona una visión de cómo serán en el futuro el descubrimiento y el desarrollo de nuevos fármacos”
“Los órganos-en-un-chip representan un nuevo método para modelar la estructura, la biología y el funcionamiento de los órganos humanos, tal y como ha evidenciado la respiración compleja de este pulmón de ingeniería. La acción de respirar en este dispositivo ha resultado clave para entender la etiología del edema pulmonar”, afirman los investigadores, que añaden que estos resultados deberían impulsar la extensión del “uso de este tipo de microsistemas en el estudio de las patologías, y suponen una esperanza para la identificación de nuevas dianas terapéuticas”.
Referencia bibliográfica:
Dongeun Huh, Daniel C. Leslie, Benjamin D. Matthews, Jacob P. Fraser, Samuel Jurek, Geraldine A. Hamilton, Kevin S. Thorneloe, Michael Allen McAlexander, y Donald E. Ingber. A Human Disease Model of Drug Toxicity–Induced Pulmonary Edema in a Lung-on-a-Chip Microdevice. Science Translation Medicine, 2012. DOI: 10.1126/scitranslmed.3004249.
Dongeun Huh, Daniel C. Leslie, Benjamin D. Matthews, Jacob P. Fraser, Samuel Jurek, Geraldine A. Hamilton, Kevin S. Thorneloe, Michael Allen McAlexander, y Donald E. Ingber. A Human Disease Model of Drug Toxicity–Induced Pulmonary Edema in a Lung-on-a-Chip Microdevice. Science Translation Medicine, 2012. DOI: 10.1126/scitranslmed.3004249.