El dispositivo que imita las complejas interacciones de las células dentro del corazón en un pequeño chip y forma parte de la suite más amplia de "órganos en un chip".
En un avance significativo en el desarrollo de medicamentos, investigadores del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) han creado una herramienta para construir un sistema conocido como "Heart on a Chip" (HoC). Esta tecnología busca abordar las limitaciones del desarrollo convencional de medicamentos cardiovasculares, que depende en gran medida de pruebas en animales; al replicar modelos parecidos a humanos para estudiar enfermedades cardiovasculares, el sistema HoC promete ayudar a reemplazar las pruebas en animales, acortar los plazos de desarrollo de medicamentos y reducir costos.
El HoC es un dispositivo que imita las complejas interacciones de las células dentro del corazón en un pequeño chip y forma parte de la suite más amplia de "órganos en un chip" (OoC). El diseño real del corazón en un chip varía, pero típicamente es un pequeño chip transparente o semitransparente que consiste en una red de microcanales impresos en una capa de polímero.
Estos microcanales están diseñados de manera intrincada para imitar los vasos sanguíneos encontrados en el corazón humano; los investigadores colocan células cardíacas humanas dentro de estos microcanales para manipular y observar su comportamiento, estimulándose independientemente u observando su comportamiento bajo diferentes condiciones, como la introducción de un medicamento.
"El corazón en un chip está diseñado para imitar las condiciones de un corazón real", dijo Darwin Reyes, investigador del NIST que lideró el desarrollo de este sistema HoC. "Podemos manipular el entorno para cambiar las células madre en células cardíacas y hacer que se contraigan y se relajen, como lo hacen en un cuerpo para producir un latido".
El "corazón" del sistema órgano en un chip se encuentra en algo llamado microfluidos, que es esencialmente un sistema de fontanería en miniatura en el cual los investigadores pueden controlar y manipular precisamente pequeñas cantidades de líquidos. Los microfluidos se utilizan para crear modelos avanzados de órganos y tejidos en pequeños chips en el laboratorio.
"El chip en sí mismo se puede utilizar con muchos tipos de células", dijo Reyes. "En este proyecto en particular, estamos utilizando células cardíacas, pero se puede usar 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 imitan las condiciones de varios órganos, y estos chips incluso se pueden interconectar para formar un sistema de varios órganos. Por ejemplo, se podría tener un corazón en un chip conectado a un hígado en un chip para simular cómo interactúan el corazón y el hígado en respuesta a ciertos medicamentos o condiciones médicas. Este enfoque proporciona una comprensión más completa de cómo funcionan juntos diferentes órganos en el cuerpo humano.
En el desarrollo tradicional de medicamentos, a menudo se utilizan animales como sujetos de prueba. Sin embargo, la fisiología animal no coincide perfectamente con la fisiología humana. Un medicamento puede pasar una prueba en un sujeto animal pero luego fallar en las pruebas con humanos. Esto no solo retrasa el proceso de prueba de medicamentos, sino que también pone a los sujetos humanos de prueba en riesgo de efectos adversos por el medicamento. Además, existe un debate continuo sobre las consideraciones éticas de las pruebas en animales.
"El objetivo final es, si es posible, poder omitir por completo las pruebas en animales", dijo Reyes. "Esto también acortaría el tiempo necesario para probar medicamentos, lo que esperamos que haga que los medicamentos sean menos costosos".
En 2022, el presidente Joe Biden promulgó la Ley de Modernización de la FDA 2.0. La ley revisa esencialmente la Ley Federal de Alimentos, Medicamentos y Cosméticos de 1938, que exigía pruebas en animales para cada nuevo protocolo de desarrollo de medicamentos. Mientras que durante el último siglo, el mandato tenía como objetivo garantizar ciertos estándares de calidad y seguridad para medicamentos y dispositivos médicos, los avances recientes en la ciencia han comenzado a ofrecer alternativas cada vez más viables a las pruebas en animales, incluidos los sistemas de órganos en un chip.
El desarrollo de esta nueva tecnología no se realiza en un vacío. Investigadores de todo el mundo trabajan en dispositivos microfluídicos similares para abrir paso a una nueva era en el desarrollo de medicamentos. Sin embargo, para que esto sea una realidad, se necesita estandarización: establecer pautas y reglas consistentes para estas tecnologías. Esto no solo ayuda a obtener aprobaciones regulatorias, sino que también asegura una mejor aceptación en las comunidades científica, industrial y médica. El NIST es un participante activo, 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.
Si bien el HoC se centra en el desarrollo de medicamentos 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 de entender 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 en el diagnóstico".
Esta nueva tecnología, respaldada por estándares rigurosos, marca un paso importante hacia un futuro en el que el desarrollo de medicamentos se caracteriza por precisión, eficiencia y consideraciones éticas elevadas.
