Una bomba inspirada en el acordeón abre una nueva era para la tecnología de «laboratorio en un chip»
Este dispositivo reproduce en el laboratorio las formas de onda del flujo sanguíneo humano, lo que abre nuevas perspectivas para el estudio de las enfermedades vasculares, el desarrollo de fármacos y la seguridad en los viajes espaciales.
Anuncios
Desde hace más de 25 años, la tecnología de «laboratorio en un chip» ha permitido a los investigadores crear modelos de órganos y vasos sanguíneos humanos utilizando células humanas reales en entornos microscópicos artificiales. Estos sistemas microfisiológicos (MPS) pueden replicar células humanas e imitar órganos o incluso sistemas orgánicos completos en numerosas condiciones. Se han convertido en un elemento clave para estudiar todo tipo de cuestiones, desde las enfermedades cardíacas hasta la eficacia de nuevos fármacos.
Sin embargo, se han visto frenados por una limitación importante: la incapacidad de recrear con precisión las formas de onda del flujo sanguíneo que se originan en el corazón humano.
«Llevamos décadas esforzándonos por encontrar un sistema de perfusión realmente estable», afirmó el Dr. Abhishek Jain, profesor asociado de ingeniería biomédica y miembro del cuerpo docente de la cátedra Barbara y Ralph Cox ’53 en la Universidad de Texas A&M. «El flujo sanguíneo humano generado por los latidos del corazón se compone de múltiples pulsos y longitudes de onda, y tiene lugar en un periodo de tiempo muy breve: se necesita un cambio en el flujo en un plazo de 50 milisegundos. Eso no puede lograrse con los equipos de bombeo disponibles actualmente».
La forma de onda del flujo sanguíneo —y la reacción de las células ante ella— está en el origen de numerosos problemas de salud. Cuando el patrón ondulatorio del flujo sanguíneo cambia debido a una enfermedad, la edad o incluso la ingravidez, las células endoteliales que recubren todos los vasos sanguíneos del cuerpo comienzan a mostrar comportamientos celulares patológicos, lo que acaba provocando enfermedades potencialmente mortales.
Ahora, Jain y el Dr. Ankit Kumar, que acaba de obtener su doctorado en ingeniería biomédica en la Universidad de Texas A&M, han desarrollado el HemaDyne, una bomba pionera en su género capaz de reproducir a la perfección el flujo sanguíneo en cualquier tipo de condición y en cualquier parte del cuerpo. Su trabajo se ha publicado en *Nature Communications*.
«Lo que hace esta bomba es permitirte tomar cualquier forma de onda del flujo sanguíneo registrada en una clínica, ya sea de cualquier paciente o vaso sanguíneo, y recrear esa forma de onda en el laboratorio, donde puede observarse», explicó Kumar. «De este modo, se puede observar cómo se comportan las células endoteliales en esas condiciones. Se puede investigar el origen mismo de las enfermedades vasculares y cómo se desarrollan, con el fin de poder tratarlas con terapias en una fase temprana.
«Incluso se pueden extraer células de pacientes humanos e introducirlas en los chips para probar diferentes fármacos y determinar cuál sería el más eficaz para resolver en una fase temprana estos trastornos relacionados con el flujo sanguíneo y evitar que, décadas más tarde, se conviertan en enfermedades graves que alteren la vida de los pacientes».
La inspiración para este dispositivo fue un estudiante que tocaba el acordeón en el campus de College Station de la Universidad de Texas A&M. Aunque tanto Jain como Kumar habían crecido viendo con frecuencia armonios —instrumentos de acordeón que suelen tocarse en los musicales de Bollywood—, no fue hasta que vieron a aquel estudiante desconocido tocando uno frente a un edificio de ingeniería del campus cuando de repente comprendieron la física del instrumento.
«Nos dimos cuenta de que el acordeón tiene unos fuelles en el centro que pueden expandirse y contraerse. Es esta geometría la que permite generar presión de aire sin demasiado esfuerzo», explicó Jain. «Existen bombas que utilizan el flujo de presión de aire, pero ninguna de ellas ha aprovechado esta física o geometría, que permite al músico crear formas de onda muy rápidamente. Planteamos la hipótesis: ¿y si utilizáramos ese principio de cambio de presión de aire para generar flujo en su lugar?».
Kumar y Jain comenzaron a investigar las posibles aplicaciones de los pliegues en acordeón en el laboratorio. Aunque los instrumentos de acordeón son caros, esa misma geometría se utiliza en los dispensadores de pegamento de plástico con forma de «botella de acordeón», que se pueden adquirir por menos de un dólar la botella. Dotados de los principios científicos exactos que buscaban, los investigadores se propusieron convertir el dispensador de pegamento en un sistema capaz de generar formas de onda de presión, al igual que las armonías musicales. La respuesta resultó ser las impresoras 3D.
«Existe una gran comunidad de código abierto dedicada a la impresión 3D, así que tomé prestado el firmware de las impresoras 3D», explicó Kumar. «Es un lenguaje llamado G-code. Pude utilizar ese lenguaje para tomar mediciones de las formas de onda del flujo sanguíneo de un paciente —convertirlas en G-code— y, a continuación, reproducir estas formas de onda en el laboratorio, lo que nos permite estudiar enfermedades vasculares complejas».
Desentrañar los orígenes de las enfermedades vasculares es solo una pequeña parte del potencial del dispositivo. La capacidad de modelar con precisión las condiciones de cualquier enfermedad medible utilizando células humanas en un dispositivo pequeño y fácilmente transportable podría impulsar todo tipo de avances, desde el descubrimiento de nuevos fármacos hasta los viajes espaciales.
«Estos sistemas pueden funcionar de forma continuada durante meses. Se pueden enviar al espacio y traerlos de vuelta. Se pueden simular enfermedades crónicas», afirmó Jain. «Esto ha abierto las puertas a nuevas tecnologías que están por llegar. Dentro de cinco años, disponer de sistemas MPS conectados a esta tecnología de bombeo podría hacerlos tan robustos y estandarizados que permitirían realizar ensayos clínicos fiables, en los que las posibilidades de éxito serían significativamente mayores que en la actualidad. Eso se traduce en mejores medicamentos, un mejor conocimiento de las enfermedades humanas, una mejor comprensión de lo que le ocurre a la salud de los astronautas cuando van al espacio y regresan, y un mejor conocimiento del envejecimiento y el cáncer».
La investigación se llevó a cabo con el apoyo de la NASA, que considera esta tecnología un componente prometedor para los viajes tripulados seguros a Marte.
«Nos sentimos realmente afortunados de contar con la financiación de la NASA y sus socios para poder llevar a cabo este tipo de trabajo de gran impacto con nuestros estudiantes de ingeniería biomédica, tanto de grado como de posgrado», afirmó Jain. «Este es un ejemplo de cómo la ingeniería de instrumentación puede impulsar la biología. Este dispositivo impulsará nuevos descubrimientos biológicos».
El dispositivo se está patentando con la ayuda de la Oficina de Innovación de Texas A&M.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
