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Pruebas de drogas usando pasos de 'corazón en un chip' más cerca
El desarrollo de medicamentos es un negocio costoso y prolongado, no ayudado por el hecho de que hay una alta tasa de fallas en las pruebas de drogas debido a la dependencia de los modelos animales. La biología animal no es un sustituto ideal de la biología humana, pero hasta que surja algo mejor, es todo lo que tenemos. Ahora, un nuevo estudio sugiere que el método de órgano en un chip puede ofrecer un modelo más ideal.
Los investigadores creen que organ-on-a-chip podría algún día reemplazar el uso de animales en pruebas de drogas.
Crédito de la imagen: Anurag Mathur, Healy Lab, UC-Berkeley
El líder del estudio, Kevin Healy, profesor de bioingeniería en la Universidad de California-Berkeley, dice:
"Se necesitan unos $ 5 mil millones en promedio para desarrollar un medicamento, y el 60% de esa cifra proviene de los costos iniciales en la fase de investigación y desarrollo. El uso de un modelo bien diseñado de un órgano humano podría reducir significativamente el costo y el tiempo de llevar un medicamento. nueva droga al mercado ".
Como alrededor de un tercio de los fármacos candidatos que se descartan son aquellos que parecen tener un efecto negativo en el corazón, el Prof. Healy y sus colegas decidieron diseñar un modelo basado en el corazón humano.
Llegan a la conclusión de que su trabajo es un importante paso adelante en el desarrollo de formas más rápidas y precisas de probar la seguridad de los medicamentos. El Prof. Healy cree que:
"En última instancia, estos chips podrían reemplazar el uso de animales para detectar medicamentos por seguridad y eficacia".
En su estudio, describen cómo idearon el modelo y lo probaron con medicamentos cardiovasculares.
'Heart-on-a-chip' contiene una red de células pulsantes del músculo cardíaco
El modelo de corazón humano diseñado por el profesor Healy y sus colegas es un "corazón en un chip" que comprende un dispositivo de silicona de una pulgada de largo con una red delgada de células pulsantes del músculo cardíaco.
En el diario Informes científicos, el equipo dice que su corazón en un chip, que llaman un "sistema microphysiological cardíaco (MPS)", es una herramienta ideal para probar los efectos secundarios tóxicos de nuevas drogas en el corazón humano porque marca cuatro casillas importantes:
- Utiliza células que tienen genes humanos
- Las células están alineadas de una manera que refleja la estructura del tejido del corazón humano
- Simula la dinámica del flujo sanguíneo en el tejido cardíaco
- Se puede usar para análisis biológicos, electrofisiológicos y fisiológicos.
Los autores señalan que el uso de modelos animales para predecir las reacciones humanas a las drogas a menudo falla debido a las diferencias fundamentales en la biología entre las especies. Por ejemplo, los canales de iones que conducen los impulsos eléctricos que emiten las células del corazón pueden variar en número y tipo entre animales y humanos.
"Muchas drogas cardiovasculares se dirigen a esos canales, por lo que estas diferencias a menudo resultan en experimentos ineficientes y costosos que no proporcionan respuestas precisas sobre la toxicidad de una droga en humanos", explica el Prof. Healy.
El dispositivo está lleno de células cardíacas hechas de células madre pluripotentes inducidas por humanos
El corazón en un chip está hecho de células del corazón generadas a partir de células madre pluripotentes inducidas por el hombre, las células madre adultas que pueden inducirse a diferenciarse en varios tipos de tejidos.
El corazón en un chip tiene una geometría 3D y espaciado que es comparable al de la fibra de tejido conectivo en un corazón humano. Luego, los investigadores poblaron esto con capas de células cardíacas diferenciadas, que en la geometría confinada se vieron forzadas a alinearse en una dirección.
Los canales microfluídicos a ambos lados del área poblada de células funcionan como vasos sanguíneos e imitan la misma dinámica de nutrientes y drogas que se difunden desde los vasos sanguíneos al tejido humano.
Tal configuración también podría servir como un modelo de cómo las células se deshacen de sus productos de desecho, señalan los autores.
El autor principal, el Dr. Anurag Mathur, investigador postdoctoral en el laboratorio de Healy y miembro del Instituto de California de Medicina Regenerativa, explica:
"Este sistema no es un simple cultivo de células donde el tejido se baña en un baño de líquido estático. Diseñamos este sistema para que sea dinámico, replica cómo los tejidos de nuestros cuerpos realmente se exponen a los nutrientes y las drogas".
Heart-on-a-chip probado con cuatro drogas y reaccionó como se esperaba
Los autores explican cómo dentro de las 24 horas de poblar el dispositivo con células cardíacas, el tejido cardíaco modificado funcionaba a ritmo normal de 55-80 latidos por minuto.
El equipo probó cuatro fármacos cardiovasculares conocidos en el dispositivo: isoproterenol, E-4031, verapamilo y metoprolol. Usaron cambios en la frecuencia del pulso del tejido para medir la respuesta a las drogas.
Los cambios en la frecuencia del pulso fueron los esperados para los medicamentos. Por ejemplo, después de media hora de exposición al isoproterenol, un medicamento utilizado para tratar la frecuencia cardíaca lenta o la bradicardia, la frecuencia del pulso del corazón en un chip aumentó de 55 a 124 latidos por minuto.
El siguiente video muestra las células del corazón latiendo normalmente y luego latiendo bajo la influencia de isoproterenol:
Los dispositivos de prueba multiorgánicos podrían tener cientos de sistemas de células microfisiológicas
El tejido de ingeniería permaneció viable y funcionó durante varias semanas. Tal escala de tiempo es suficiente para probar varias drogas diferentes, dice el profesor Healy.
Él y sus colegas ahora están investigando si el método se puede usar para modelar interacciones multiorgánicas. El Prof. Healy dice:
"Unir el corazón y el tejido hepático nos permitiría determinar si un fármaco que inicialmente funciona bien en el corazón podría ser metabolizado posteriormente por el hígado de una manera que sería tóxica".
El equipo anticipa la "adopción generalizada" de órgano en un chip para el análisis de drogas y el modelado de enfermedades y prevé dispositivos que contienen cientos de sistemas celulares microfisiólogos.
El proyecto está financiado a través de la iniciativa Tissue Chip for Drug Druging Initiative, patrocinada por los Institutos Nacionales de Salud.
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