Llevar un nuevo producto farmacéutico de una idea en el laboratorio de química al mercado lleva muchos años y miles de millones de dólares. Cada año, solo se aprueban varias docenas de medicamentos nuevos para su uso en los Estados Unidos.
Los "órganos en chips" humanos están liderando una revolución en las pruebas de seguridad de drogas. Estos dispositivos utilizan células humanas para modelar la estructura y función de los órganos y tejidos humanos. Al probar los efectos potenciales de los medicamentos en diferentes órganos más rápido que los métodos tradicionales, los órganos en chips pueden reducir la necesidad de estudios en animales y predecir mejor qué nuevos medicamentos tratarán eficazmente las enfermedades humanas.
Como parte de un equipo de investigación interdisciplinario, estamos trabajando en un riñón en un chip para mejorar nuestra comprensión de cómo comienzan las enfermedades renales y qué medicamentos pueden tratarlas de manera segura.
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Históricamente, las pruebas de laboratorio para nuevos medicamentos se realizan en células cultivadas en platos o matraces. Si un medicamento pasa las pruebas de detección iniciales in vitro, los investigadores luego lo prueban in vivo en animales vivos para determinar los efectos de un nuevo medicamento en un sistema completo en lugar de solo un tipo de célula a la vez. Finalmente, después de muchos años de investigación de laboratorio, los investigadores probarán un nuevo fármaco prometedor en las personas para ver si es seguro y efectivo.
El problema es que 9 de cada 10 de estos medicamentos nunca pasan de pruebas en humanos a pequeña escala para el paciente porque resultan ineficaces o tóxicos, incluso si mostraron resultados prometedores en las primeras pruebas.
Los órganos en chips tienen el potencial de transformar completamente ese sistema. Desde el tamaño de una uña hasta el de una tarjeta de crédito, están compuestos por canales de fluidos y pequeñas cámaras que contienen muestras de células humanas. Los órganos en chips en desarrollo en los laboratorios de todo el país incluyen riñón, pulmón, hígado, intestino, piel, cerebro, corazón, huesos y sistemas reproductivos.
En un órgano en un chip, el líquido que fluye suministra a las células oxígeno y nutrientes, de forma similar a la forma en que la sangre sostiene las células en el cuerpo humano. Es este flujo constante lo que hace que estos dispositivos sean especiales. Las células cultivadas en dispositivos de órganos en chips actúan más como células en un órgano humano que las células cultivadas en platos planos sin flujo.
El fluido circula a través de un riñón en un chip. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Los riñones son increíblemente importantes para la salud humana en general. Los dos riñones del tamaño de un puño eliminan del cuerpo las drogas y los compuestos no deseados y juegan un papel crítico en el mantenimiento del equilibrio adecuado de sal y agua, presión arterial y vitamina D y salud ósea. Las condiciones genéticas e incluso los medicamentos administrados comúnmente pueden, en algunas circunstancias, dañar los riñones.
En los Estados Unidos, el 15 por ciento de los adultos tienen enfermedades renales. Pero la mayoría ni siquiera lo sabe, porque las enfermedades renales a menudo no muestran síntomas hasta que la afección está muy avanzada. Existe una necesidad apremiante de comprender cómo comienza la enfermedad renal y de desarrollar nuevos tratamientos seguros y efectivos.
Aquí en la Universidad de Washington, nuestro equipo de investigación de riñón en chip está compuesto por científicos de muchas disciplinas diferentes, que incluyen farmacia, ciencias farmacéuticas, nefrología (medicina renal), toxicología, bioquímica y bioingeniería.
En asociación con Nortis, Inc., una compañía local de biotecnología, nuestro equipo ha creado un dispositivo pequeño, del tamaño de una tarjeta de presentación, con hasta tres tubos diminutos, cada uno una milésima parte del tamaño de una gota de agua, que contiene 5, 000 humanos células renales Cuando se bombean pequeñas cantidades de líquido a través de los tubos, las células renales están expuestas a señales importantes que ayudan a las células en el chip a comportarse como si estuvieran en un riñón vivo.
Hemos descubierto que las células renales liberan señales, llamadas biomarcadores, de lesión cuando se exponen a toxinas renales conocidas. Nuestra investigación mostró que las células en el chip liberaron marcadores de lesión comúnmente vistos en la orina de personas con daño renal. Las pruebas con el método anterior, usando células en placas, no mostraron ningún daño con el mismo tratamiento. Esto sugiere que el riñón en un chip puede ser mejor que los métodos existentes para predecir si un nuevo medicamento causará daño renal en humanos.
Estos dispositivos hacen un mejor trabajo al probar cómo las moléculas afectan a las células humanas vivas. (Alex Levine, CC BY-ND) **********
Ahora que hemos tenido estos resultados prometedores, los equipos científicos en todo el país están comenzando a conectar diferentes órganos para replicar un sistema más complejo y de múltiples órganos, para dar una mayor comprensión de cómo las drogas afectan a las personas. Por ejemplo, pudimos conectar un hígado en un chip a un riñón en un chip para aprender cómo un extracto de plantas utilizado en algunas medicinas herbales, llamado ácido aristolochic, daña las células renales. Esta investigación de chip a chip refuerza la necesidad de órganos interconectados en un chip para replicar la mecánica compleja en el cuerpo humano.
El próximo año, nuestro proyecto de riñón en un chip será uno de varios enviados a la Estación Espacial Internacional, donde la baja gravedad acelera los cambios en las células, lo que a veces causa problemas de salud para los astronautas. La Estación Espacial podría ser el lugar perfecto para obtener más información sobre las enfermedades renales en semanas, en lugar de años o décadas.
Los órganos en chips también se pueden utilizar para descubrir nuevos objetivos farmacológicos. Nuestro equipo está evaluando el riñón en un chip como una herramienta para personalizar la selección y la dosificación de medicamentos en personas con cáncer de riñón, enfermedad renal poliquística y enfermedad renal crónica. Otros laboratorios de órganos en chips en todo el país están estudiando enfermedades del sistema inmune, cerebro, pulmones, corazón y vasos sanguíneos. Al trabajar juntos, docenas de equipos de investigación están desarrollando esta nueva tecnología para revolucionar el descubrimiento de fármacos, lo que lleva al desarrollo de medicamentos mejores y más seguros para todos.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Catherine Yeung, profesora asistente de investigación de farmacia, Universidad de Washington
Edward Kelly, Profesor Asociado de Farmacia, Universidad de Washington
Jonathan Himmelfarb, Director del Instituto de Investigación del Riñón y Profesor de Medicina, Universidad de Washington.
