El chip, la nueva cobaya en investigación farmacológica

Los sistemas microfisiológicos que emulan procesos biológicos humanos son una herramienta cada vez más empleada en la investigación de fármacos.

Sonia Moreno | soniamb@diariomedico.com | 12/11/2012 00:00

El nuevo microdispositivo que reproduce la función pulmonar refrenda la viabilidad de los órganos en chip. (Instituto Wyss)

Nuevos fármacos y más baratos de obtener. A la industria farmacéutica no le basta con desarrollar moléculas más seguras y eficaces: tiene que hacerlo con menos costes. Se calcula que sólo el 12 por ciento de los fármacos que se investigan acaban en el mercado; la razón de que la mayoría se quede en la cuneta se encuentra en la falta de eficacia en el 50 por ciento de los casos y en la toxicidad, en un 25 por ciento, a tenor de varios análisis retrospectivos sobre ensayos de fase I a III realizados por la unidad científica de Thomson Reuters en 2011.

Para optimizar las pruebas no clínicas que conducen al ineludible ensayo con los fármacos, se han adoptado nuevas estrategias basadas en modelos in vitro, in vivo e in silicon. La informática, por citar un reciente ejemplo, ha permitido a partir de cien fármacos oncológicos ya aprobados y disponibles en Estados Unidos establecer 5.000 combinaciones todavía no ensayadas que se han probado en modelos celulares in vitro, en concreto, en las líneas del panel NCI-60; el panel está integrado por células obtenidas de muestras de pacientes con nueve tipos de tumores y gestionadas por el Instituto Nacional del Cáncer estadounidense, cuyos investigadores presentaron el trabajo en el Simposio sobre Terapéutica Oncológica y Objetivos Moleculares, celebrado hace unos días en Dublín.

La bioinformática lo ha hecho posible: conjugar la tecnología del chip y todas sus posibilidades condensatorias con el estudio de fenómenos biológicos como los órganos

Tejido, ratones y chips
Las células y los ratones son los modelos de investigación preclínica más empleados, pero a ellos se suman ahora los microchips o dispositivos microfisiológicos que imitan determinadas funciones orgánicas a partir de tejido humano; se conocen como organ-on-a-chip.

El primero en aparecer, de la mano del grupo de Donald Ingber, director del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, es el microchip de pulmón. Presentado en sociedad hace apenas dos años en un artículo en Science, este dispositivo del tamaño de una tarjeta de memoria utiliza células pulmonares y vasos sanguíneos humanos para formar unos microcanales de polidimetilsiloxano (PDMS) -material transparente- dispuestos como una barrera capilar-alveolar. Con ayuda de una bomba que produce vacío se recrea el movimiento fisiológico de la respiración.

Con el tiempo esta tecnología podría sustituir al modelo animal, aunque aún hay un largo camino de validación

Este mismo grupo de científicos se ha servido del microchip para diseñar un modelo de edema pulmonar, según publican esta semana en Science Translational Medicine. El grupo de Ingber inyectó interleucina 2 (IL-2) en el canal sanguíneo del chip provocando así que el fluido sanguíneo se filtrase a través de la membrana y se redujese el volumen de aire introducido a través del canal específico, lo que comprometía el transporte del oxígeno. Además, las proteínas plasmáticas de la sangre también atravesaron la membrana para llegar al canal del aire y provocaron la formación de trombos en ese espacio, condición que emula a lo que ocurre en el edema pulmonar y que constituye el principal efecto tóxico de la IL-2.

El modelo puede servir para identificar nuevos candidatos farmacológicos para el tratamiento del edema; de hecho, los síntomas de esta afección en el microchip podrían evitarse tratando los tejidos con un inhibidor del receptor vaniloide 4 de los canales de potencial transitorio (TRPV-4); esos efectos beneficiosos del bloqueante del TRPV4 se han probado también en un modelo más convencional (murino) en un estudio independiente, realizado por investigadores de la compañía GSK, que se publica también en el mismo número de la revista (Science Trans Med 2012; 4: 159ra148).

Chip a chip
El lung-on-a-chip es el primero, pero no el único de esta incipiente familia de dispositivos. La investigación para desarrollar órganos en chip está impulsada por los Institutos Nacionales de Salud estadounidenses, la agencia reguladora americana FDA y la Agencia de Investigaciones Avanzadas de la Defensa (Darpa), de Estados Unidos, esta última conocida por sus inversiones en investigación de riesgo. Así lo recuerdan Donna Dambach y Hirdesh Uppal, de Genentech, en un editorial que acompaña a los nuevos hallazgos en la citada revista. Y auguran, por ello, un gran impacto en los procesos de desarrollo de fármacos.

Recapitulando, del grupo de Ingber también han surgido chips que imitan la función peristáltica del estómago y a la médula ósea, y otro grupo del Instituto Wyss, dirigido por el bioingeniero Kevin Parker, desarrolló un corazón en un chip. En la Universidad Nacional de Seúl, el laboratorio de Kahp-Yang Suh ha sido el artífice del microchip que imita al riñón, mientras que investigadores japoneses publicaron en Proceedings of the National Academy of Sciences una réplica a microescala del hígado. Aunque en sus primeras fases la tecnología de los organ-on-a-chip se perfila muy prometedora y abierta a múltiples posibilidades (individualización, células con mutaciones genéticas específicas), se sueña con llegar, como apunta Ingber, al chip que integre diversos sistemas complejos, quizá un sistema humano completo.

Soluciones 'mini' para grandes problemas

En sólo 20 minutos, un chip microfluídico puede leer microARN a partir de una mínima muestra biológica. La agilidad del dispositivo fabricado con polidimetilsiloxano, junto con el hecho de que sólo requiere entre 10 y 18 moles de materia para culminar el análisis, hace de este microchip una potencial herramienta para el diagnóstico inmediato (point-of-care) de diversas enfermedades, desde el cáncer al mal de Alzheimer. Los científicos del Instituto de Ciencias Avanzadas Riken (Japón), que publican el hallazgo del artilugio en la edición electrónica de PLoS ONE (DOI: 10.10137/journal. pone.0048329), destacan que por sus características este microchip podría ser idóneo en entornos con escasos recursos, como países no industrializados.