Los investigadores crean un sofisticado pulmón en chip
Una barrera de aire y sangre totalmente biodegradable y de tamaño natural
En colaboración con socios clínicos del Inselspital, investigadores del Centro ARTORG de Investigación Biomédica de la Universidad de Berna han desarrollado un modelo de pulmón en chip de segunda generación con alvéolos de dimensiones reales en una membrana extensible, fabricada con material puramente biológico. El nuevo modelo reproduce aspectos clave de la arquitectura del tejido pulmonar que no se encontraban en los anteriores pulmones en chip. Esto abre nuevas posibilidades para la investigación neumológica básica, la comprensión de las patologías pulmonares, el cribado de fármacos y la medicina de precisión.
Inmunotinción de cultivos de células de pacientes en un lung-on-chip de segunda generación.
© Pauline Zamprogno, ARTORG Center for Biological Engineering Research
El pulmón es un órgano complejo cuya función principal es el intercambio de gases. Es el órgano más grande del cuerpo humano y desempeña un papel fundamental en la oxigenación de todos los órganos. Debido a su estructura, composición celular y microambiente dinámico, es difícil de imitar in vitro.
Un laboratorio especializado del Centro ARTORG de Investigación en Ingeniería Biomédica de la Universidad de Berna, dirigido por Olivier Guenat, lleva más de 10 años desarrollando una nueva generación de modelos in vitro denominados órganos en chip, centrados en la modelización del pulmón y sus enfermedades. Tras el éxito de un primer sistema de pulmón en chip que mostraba las características esenciales del pulmón, el laboratorio Organs-on-Chip (OOC) Technologies ha desarrollado ahora un pulmón en chip de nueva generación puramente biológico en colaboración con el Centro Helmholtz de Investigación de Infecciones de Alemania y los departamentos de cirugía torácica y neumología del Inselspital.
Una barrera aire-sangre totalmente biodegradable y de tamaño natural
Pauline Zamprogno, que desarrolló el nuevo modelo para su tesis doctoral en el OOC, resume sus características: "El nuevo pulmón en chip reproduce un conjunto de alvéolos con dimensiones similares a las de un animal vivo. Se basa en una membrana fina y estirable, fabricada con moléculas que se encuentran de forma natural en el pulmón: colágeno y elastina. La membrana es estable, puede cultivarse por ambos lados durante semanas, es biodegradable y sus propiedades elásticas permiten imitar los movimientos respiratorios estirando mecánicamente las células".
A diferencia de la primera generación, construida también por el equipo en torno a Olivier Guenat, el sistema desarrollado reproduce aspectos clave de la matriz extracelular (MEC) pulmonar: Su composición (soporte de células hecho de proteínas de la ECM), su estructura (conjunto de alvéolos con dimensión similar a los encontrados in vivo + estructura de fibras) y sus propiedades (biodegradabilidad, aspecto clave para investigar la remodelación de la barrera durante enfermedades pulmonares como la FPI o la EPOC). Además, el proceso de fabricación es sencillo y menos engorroso que el de una membrana porosa estirable de polidimetilsiloxano de la primera generación de lung-on-chip.
Amplias aplicaciones clínicas potenciales
Las células que se cultivarán en el nuevo chip para la investigación se obtienen actualmente de pacientes con cáncer sometidos a resecciones pulmonares en el Departamento de Cirugía Torácica del Inselspital. El jefe del departamento, Ralph Schmid, ve una doble ventaja en el sistema: "El lung-on-chip de segunda generación puede sembrarse con células alveolares pulmonares sanas o enfermas. Esto proporciona a los clínicos tanto una mejor comprensión de la fisiología del pulmón como una herramienta de predicción para el cribado de fármacos y potencialmente también para la medicina de precisión, identificando la terapia específica con el mejor potencial de ayudar a un paciente en particular."
"Las aplicaciones de estas membranas son amplias, desde las investigaciones de ciencia básica sobre las funcionalidades y patologías pulmonares, hasta la identificación de nuevas vías y el descubrimiento más eficiente de posibles nuevas terapias", afirma Thomas Geiser, Jefe del Departamento de Neumología del Inselspital y Director de Enseñanza e Investigación del Insel Gruppe.
Potente alternativa a los modelos animales en la investigación
Como ventaja adicional, el nuevo lung-on-chip puede reducir la necesidad de realizar investigaciones neumológicas basadas en modelos animales. "Muchos candidatos a fármacos prometedores probados con éxito en modelos preclínicos en roedores han fracasado cuando se han probado en humanos debido a las diferencias entre las especies y en la expresión de una enfermedad pulmonar", explica Olivier Guenat. "Por eso, a largo plazo, pretendemos reducir los ensayos con animales y proporcionar sistemas más relevantes para los pacientes para el cribado de fármacos con la posibilidad de adaptar los modelos a pacientes específicos (sembrando los órganos en chip con sus propias células)."
Pauline Zamprogno y sus colegas del grupo OOC Technologies seguirán desarrollando el nuevo pulmón-en-chip biológico para imitar un pulmón con fibrosis pulmonar idiopática (FPI), una enfermedad crónica del pulmón que conduce a la cicatrización progresiva del tejido pulmonar, en el marco de un proyecto de investigación financiado por el Centro Suizo de Competencia 3R (3RCC). "Mi nuevo proyecto consiste en el desarrollo de un modelo de FPI en chip basado en la membrana biológica. Hasta ahora, hemos desarrollado una barrera aire-sangre sana. Ahora es el momento de utilizarla para investigar una cuestión biológica real", afirma Zamprogno.
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