Este artículo se publica en colaboración con el Harvard Gazette.
Un equipo de investigación del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University utilizó su tecnología de órganos en chip para desarrollar un modelo de las vías respiratorias pequeñas humanas en el que se pueden estudiar fuera del cuerpo humano enfermedades inflamatorias pulmonares, como el asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), la tercera causa principal de mortalidad en todo el mundo.
Como se informó en línea el lunes en Nature Methods, la plataforma permite a los investigadores obtener nuevos conocimientos sobre los mecanismos de la enfermedad, identificar biomarcadores novedosos y probar nuevos candidatos a fármacos.
La EPOC y el asma son reacciones inflamatorias en el pulmón que pueden agravarse drásticamente por infecciones virales y bacterianas, así como por el tabaquismo. Se sabe que muchos de los procesos patológicos asociados se producen en las secciones de conducción de las vías respiratorias del pulmón que transportan el aire hacia los alvéolos y desde ellos, o sacos aéreos. Sin embargo, se sabe mucho menos sobre cómo la inflamación induce procesos patológicos distintos, como el reclutamiento de glóbulos blancos circulantes y la acumulación de moco, que comprometen los pulmones de estos pacientes, o sobre cómo se desencadenan las exacerbaciones clínicas.
“Inspirados por nuestro trabajo previo con el enfoque de órganos en chip para modelar el alvéolo pulmonar, creamos un nuevo modelo microfluídico de la vía aérea pequeña pulmonar que recrea con una fidelidad y un detalle sin precedentes las características críticas del asma y la EPOC. Ahora, con esta vía aérea pequeña pulmonar humana microdiseñada, podemos estudiar enfermedades inflamatorias pulmonares durante varias semanas en chips recubiertos de células procedentes tanto de donantes sanos como de pacientes enfermos, para comprender mejor los mecanismos de la enfermedad y también para evaluar nuevos tratamientos”, afirmó Donald Ingber, autor principal del trabajo, quien dirige el equipo multidisciplinario de científicos del Wyss Institute que ha estado a la vanguardia de la tecnología de órganos en chip. También es director fundador del Wyss Institute, catedrático Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y en el Hospital Infantil de Boston, y profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.
La demanda de este tipo de oportunidades es especialmente alta, ya que la inflamación de las vías respiratorias pequeñas no puede estudiarse adecuadamente en pacientes humanos ni en modelos animales y, hasta la fecha, no existen terapias eficaces que puedan detener o revertir los complejos y generalizados procesos impulsados por la inflamación.
“Para imitar de cerca la compleja arquitectura celular tridimensional de las vías respiratorias pequeñas humanas reales, diseñamos un dispositivo microfluídico que contiene un epitelio de vía respiratoria pequeña humano completamente maduro, con distintos tipos celulares especializados expuestos al aire en uno de sus dos microcanales paralelos. El segundo canal está recubierto por un endotelio vascular humano, por el que hacemos fluir un medio que contiene glóbulos blancos y nutrientes para que el microsistema vivo pueda mantenerse durante semanas. Después modelamos las condiciones inflamatorias del asma y la EPOC, ya sea añadiendo un factor inmunitario inductor del asma o configurando el sistema con células epiteliales pulmonares obtenidas de pacientes con EPOC”, afirmó Remi Villenave, antiguo becario postdoctoral en el grupo de Ingber y coprimer autor de la publicación. En ambos casos, el equipo no solo pudo observar cambios muy específicos según la enfermedad y el tipo celular, sino que también pudo agravarlos con agentes que simulan infecciones virales o bacterianas.
“Esta nueva tecnología de órganos en chip nos ofrece una ventana a las actividades a escala molecular en el contexto del tejido pulmonar humano vivo. También nos proporciona un medio para diseccionar las contribuciones de tipos celulares y factores bioquímicos específicos a las enfermedades de las vías respiratorias pequeñas, incluido cómo las células inmunitarias circulantes son reclutadas hacia los sitios de inflamación y cómo la alteración de la función de los cilios contribuye a la eliminación anormal del moco en los pulmones de los pacientes enfermos”, afirmó Kambez Hajipouran Benam, becario postdoctoral que trabaja con Ingber y que es el otro coprimer autor del estudio.
Finalmente, el equipo demostró la prueba de concepto de que el chip sintético de vía respiratoria pequeña puede utilizarse como plataforma de descubrimiento de fármacos y biomarcadores específicos de cada enfermedad. En colaboración con dos socios industriales —Pfizer y Merck Research Laboratories, que también ayudaron a financiar el proyecto— y con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), los investigadores del Wyss demostraron que dos fármacos que actúan sobre diferentes componentes moleculares clave de las vías inflamatorias pueden suprimir de forma potente los procesos patológicos en chips de vías respiratorias pequeñas adaptados al asma y a la EPOC. Los científicos del Wyss también identificaron un factor de reclutamiento de macrófagos cuyos niveles aumentan con un simulador viral en el modelo de EPOC y que puede investigarse más a fondo como posible biomarcador específico de las exacerbaciones virales de la EPOC.
“Esta nueva capacidad de construir chips de vía respiratoria pequeña con células de pacientes individuales con enfermedades como la EPOC nos sitúa a nosotros y a otros en una posición para investigar los efectos de la variabilidad genética, poblaciones celulares inmunitarias específicas, candidatos farmacéuticos e incluso virus pandémicos, de una manera completamente nueva y más personalizada, que, esperamos, aumentará la probabilidad de éxito de futuros tratamientos”, afirmó Ingber.
La publicación no implica el respaldo de las opiniones del World Economic Forum.
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Autor: Benjamin Boettner trabaja en comunicación para el Wyss Institute.
Imagen: J.Kim, un paciente de asma, toma medicación para sus problemas bronquiales en su casa de Pekín. REUTERS/Kim Kyung-Hoon.
