Ingenieros biomédicos han desarrollado una membrana ultrafina con seda que se puede utilizar en modelos de órganos en chip para ensayar sobre las células y tejidos internos
Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han desarrollado una membrana ultrafina a base de seda que puede ser utilizada en modelos de órganos-en-un-chip para imitar mejor el entorno natural de células y tejidos dentro del cuerpo. Cuando se usó en una plataforma de riñón-en-un-chip, la membrana ayudó a los tejidos a crecer y recrear la funcionalidad de riñones sanos y enfermos.
Al permitir que las células crezcan más cerca unas de otras, esta nueva membrana ayuda a los investigadores a controlar mejor el crecimiento y la función de las células y tejidos clave de cualquier órgano, lo que les permite modelar de manera más precisa una amplia gama de enfermedades y probar terapias.
A menudo no más grandes que una unidad flash USB, los sistemas de órganos-en-un-chip (OOC, por sus siglas en inglés) han revolucionado la forma en que los investigadores estudian la biología subyacente del cuerpo humano, ya sea creando modelos dinámicos de estructuras de tejidos, estudiando funciones de órganos o modelando enfermedades. Estas plataformas están diseñadas para estimular el crecimiento y la diferenciación de células de manera que imite mejor el órgano de interés. Los investigadores incluso pueden poblar estas herramientas con células madre humanas para generar modelos de órganos específicos del paciente para estudios preclínicos.
Chips de seda
Pero a medida que la tecnología ha evolucionado, también han surgido problemas en el diseño del chip, más notablemente con los materiales utilizados para crear las membranas que forman la estructura de soporte para las células especializadas en crecimiento. Estas membranas están típicamente compuestas de polímeros que no se degradan, creando una barrera permanente entre las células y los tejidos. Si bien las membranas extracelulares en los órganos humanos a menudo tienen menos de un micrón de grosor, estas membranas de polímero tienen entre 30 y 50 micrones, lo que dificulta la comunicación entre las células y limita el crecimiento celular.
“Queremos manejar los tejidos en estos chips de la misma manera que un patólogo manejaría muestras de biopsia o incluso tejidos vivos de un paciente, pero esto no era posible con las membranas de polímero estándar porque el grosor adicional evitaba que las células formaran estructuras que se parecieran más a los tejidos en el cuerpo humano,” dijo Samira Musah, profesora asistente de ingeniería biomédica y medicina en Duke. “Pensamos, ‘¿No sería bueno si pudiéramos obtener un material basado en proteínas que imite la estructura de estas membranas naturales y que sea lo suficientemente delgado como para poder cortarlo y estudiarlo?’”
Esta pregunta llevó a Musah y George (Xingrui) Mou, estudiante de doctorado en el laboratorio de Musah y autor principal del artículo, a la fibroína de seda, una proteína creada por gusanos de seda que puede ser hilada electrónicamente en una membrana. Cuando se examina bajo un microscopio, la fibroína de seda parece spaghetti o una pintura de Jackson Pollock. Hecho de largas fibras entrelazadas, el material poroso imita mejor la estructura de la matriz extracelular que se encuentra en los órganos humanos, y se ha utilizado previamente para crear andamios para fines como la curación de heridas.
“La fibroína de seda nos permitió reducir el grosor de la membrana de 50 micrones a cinco o menos, lo que nos acerca en una orden de magnitud a lo que se vería en un organismo vivo,” explicó Mao.
Riñón en un chip
Para probar esta nueva membrana, Musah y Mao aplicaron el material a sus modelos de chips de riñón. Hecho de plástico transparente y aproximadamente del tamaño de un cuarto de dólar, esta plataforma OOC se parece a una sección transversal de un riñón humano –– específicamente la pared capilar glomerular, una estructura clave en el órgano compuesta por grupos de vasos sanguíneos que es responsable de filtrar la sangre.
Una vez que la membrana estaba en su lugar, el equipo agregó derivados de células madre pluripotentes inducidas humanas al chip. Observaron que estas células podían enviar señales a través de la membrana ultrafina, lo que ayudó a las células a diferenciarse en células glomerulares, podocitos y células endoteliales vasculares. La plataforma también desencadenó el desarrollo de fenestraciones endoteliales en el tejido en crecimiento, que son orificios que permiten el paso de fluidos entre las capas celulares.
Al final de la prueba, estos diferentes tipos de células renales se habían ensamblado en una pared capilar glomerular y podían filtrar eficientemente moléculas por su tamaño.
“La nueva capacidad de la microfluídica del chip para simular interfaces de tejido-tela en vivo y para inducir la formación de células especializadas, como el endotelio fenestrado y los podocitos glomerulares maduros a partir de células madre, tiene un potencial significativo para avanzar en nuestra comprensión del desarrollo de órganos humanos, la progresión de enfermedades y el desarrollo terapéutico,” dijo Musah.
A medida que continúan optimizando su modelo, Musah y sus colegas esperan utilizar esta tecnología para comprender mejor los mecanismos detrás de la enfermedad renal. A pesar de afectar a más del 15 por ciento de los adultos estadounidenses, los investigadores carecen de modelos efectivos para la enfermedad. Los pacientes también a menudo no son diagnosticados hasta que los riñones han sido dañados sustancialmente, y a menudo se les requiere que se sometan a diálisis o reciban un trasplante de riñón.
“El uso de esta plataforma para desarrollar modelos de enfermedades renales podría ayudarnos a descubrir nuevos biomarcadores de la enfermedad,” dijo Mao. “Esto también podría usarse para ayudarnos a hacer una criba de candidatos a medicamentos para varios modelos de enfermedades renales. Las posibilidades son muy emocionantes.”
“Esta tecnología tiene implicaciones para todos los modelos de órganos-en-un-chip,” dijo Musah. “Nuestros tejidos están compuestos de membranas e interfaces, por lo que se puede imaginar el uso de esta membrana para mejorar los modelos de otros órganos, como el cerebro, el hígado y los pulmones, u otros estados de enfermedad. Ahí es donde realmente radica el poder de nuestra plataforma.”
REFERENCIA
