Heart-on-a-Chip del NIST: una maravilla de microfluidos que da forma al futuro de la investigación cardiovascular
06 de febrero de 2024
Han desarrollado un sistema que imita modelos humanos para estudiar enfermedades cardiovasculares.
Heart-on-a-chip se alinea con los esfuerzos nacionales para alejarse de las pruebas con animales en el desarrollo de fármacos.
El conjunto de órganos en un chip, que incluye un corazón en un chip, ayuda a garantizar un desarrollo de fármacos más seguro, más rápido y más preciso.
Crédito: N. Hanacek/NIST
En un importante paso adelante en el desarrollo de fármacos, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado una herramienta para construir un sistema conocido como corazón en un chip (HoC). Esta tecnología busca abordar las limitaciones del desarrollo de fármacos cardiovasculares convencionales, que depende en gran medida de las pruebas con animales. Al replicar modelos similares a los humanos para estudiar enfermedades cardiovasculares, el sistema HoC promete ayudar a reemplazar las pruebas con animales, acortar los plazos de desarrollo de fármacos y reducir los costos. Los resultados del equipo del NIST se publicaron en Lab on a Chip .
El HoC es un dispositivo que imita las intrincadas interacciones de las células dentro del corazón en un pequeño chip y es parte del conjunto más grande de órganos en un chip (OoC) . El diseño real del corazón en un chip varía, pero normalmente es un chip pequeño, transparente o semitransparente que consta de una red de microcanales impresos en una capa de polímero. Estos microcanales están intrincadamente diseñados para imitar los vasos sanguíneos que se encuentran en el corazón humano. Los investigadores colocan células del corazón humano dentro de estos microcanales para manipular y observar su comportamiento. Los investigadores pueden estimularlos de forma independiente u observar su comportamiento en diferentes condiciones, como la introducción de un fármaco.
El corazón en un chip consta de una red de microcanales impresos en una capa de polímero. Las células del corazón se colocan dentro de estos microcanales para manipular y observar su comportamiento.Crédito: N. Hanacek/NIST
«El corazón en un chip está diseñado para imitar las condiciones de un corazón real», dijo el investigador del NIST Darwin Reyes, quien dirigió el desarrollo de este sistema HoC. «Podemos manipular el entorno para transformar las células madre en células cardíacas y hacer que se contraigan y relajen, como lo hacen en el cuerpo para producir los latidos del corazón».
El “corazón” del sistema de órgano en un chip reside en algo llamado microfluidos, que es esencialmente un sistema de tuberías en miniatura en el que los investigadores pueden controlar y manipular con precisión pequeñas cantidades de líquidos. Los investigadores utilizan microfluidos para crear modelos avanzados de órganos y tejidos en pequeños chips en el laboratorio.
«El chip en sí se puede utilizar con muchos tipos de células diferentes», dijo Reyes. «En este proyecto en particular, utilizamos células cardíacas, pero se puede utilizar una versión personalizada del sistema con otras células para monitorear su comportamiento visual y electrónicamente».
El concepto de “órgano en un chip” se extiende más allá del corazón. Los investigadores pueden crear chips que imiten las condiciones de varios órganos, y estos chips pueden incluso interconectarse para formar un sistema de múltiples órganos. Por ejemplo, se podría conectar un corazón en un chip a un hígado en un chip para simular cómo interactúan el corazón y el hígado en respuesta a ciertos medicamentos o afecciones médicas. Este enfoque proporciona una comprensión más completa de cómo funcionan juntos los diferentes órganos en el cuerpo humano.
Repensar la experimentación con animales
En el desarrollo tradicional de fármacos, a menudo se utilizan animales como sujetos de prueba. Sin embargo, la fisiología animal no coincide perfectamente con la fisiología humana. Un fármaco puede pasar una prueba en un animal pero luego puede fallar en una prueba en humanos. Esto no sólo retrasa el proceso de prueba de drogas, sino que también pone a los sujetos humanos en riesgo de sufrir efectos adversos de la droga. Además, existe un debate en curso sobre las consideraciones éticas de la experimentación con animales.“El objetivo final es, si es posible, poder evitar por completo las pruebas con animales”, dijo Reyes. «Esto también acortaría el tiempo que lleva probar los medicamentos, lo que con suerte haría que los medicamentos cuesten menos».
En 2022, el presidente Joe Biden promulgó la Ley de Modernización 2.0 de la FDA . Básicamente, el proyecto de ley revisa la Ley Federal de Alimentos, Medicamentos y Cosméticos de 1938, que exigía pruebas en animales para cada nuevo protocolo de desarrollo de fármacos. Si bien durante el siglo pasado el mandato tenía como objetivo garantizar ciertos estándares de calidad y seguridad para medicamentos y dispositivos médicos, los recientes avances científicos han comenzado a ofrecer alternativas cada vez más viables a las pruebas con animales, incluidos los sistemas de órganos en un chip.Colaboración global para estandarizar la tecnología de órgano en un chip
El desarrollo de esta nueva tecnología no se hace en el vacío. Investigadores de todo el mundo están trabajando en dispositivos de microfluidos similares para marcar el comienzo de una nueva era en el desarrollo de fármacos. Sin embargo, para que esto sea una realidad, es necesaria la estandarización: establecer pautas y reglas consistentes para estas tecnologías. Esto no sólo ayuda a obtener aprobaciones regulatorias sino que también garantiza una mejor aceptación en las comunidades científica, industrial y médica. El NIST participa activamente, junto con organizaciones científicas de todo el mundo, en el desarrollo de estándares para esta tecnología.
«Cuanto más investigación colaborativa haya fuera de lo que se está haciendo actualmente y hacia dónde nos dirigimos, mejor será esta tecnología», dijo Reyes.
Ampliando horizontes más allá del enfoque cardiovascular
Si bien HoC se centra en el desarrollo de fármacos cardiovasculares, las capacidades de OoC se extienden más allá de un órgano específico. El sistema se puede aplicar a varios tipos de células, incluidas aquellas relevantes para la investigación del cáncer.
“Estamos en la fase de prueba para comprender cómo podemos rastrear el movimiento y la agresividad de las células cancerosas en tiempo real”, compartió Reyes. «Nuestra esperanza es que, en el futuro, con más pruebas, el sistema pueda proporcionar mediciones de la agresividad de las células cancerosas que podrían ayudar con el diagnóstico».
Esta nueva tecnología, respaldada por estándares rigurosos, marca un paso importante hacia un futuro en el que el desarrollo de fármacos se caracterizará por la precisión, la eficiencia y mayores consideraciones éticas.
Artículo: Derrick Butler y Darwin R. Reyes. Sistema Heart-on-a-Chip: aplicaciones de modelado de enfermedades y detección de fármacos. Laboratorio en un chip. Publicado en línea el 6 de febrero de 2024. DOI: 10.1039/D3LC00829K
NIST