Los medicamentos con receta han permitido a millones de personas con condiciones médicas crónicas vivir vidas más largas y más satisfactorias. No obstante, un gran número de nuevos y prometedores fármacos nunca llegan a la fase de ensayos en humanos debido a su potencial de toxicidad cardiaca.
A través de la tecnología del ‘corazón en un chip’, que se trata del modelado de un corazón humano en un chip y la medición de los efectos de la exposición de compuestos sobre las funciones del tejido del corazón utilizando microelectrodos, investigadores de Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL por sus siglas en inglés) esperan reducir el tiempo necesario para nuevos ensayos con medicamentos y asegurar la efectividad y la seguridad de medicamentos que podrían en un futuro salvar vidas, al mismo tiempo que se reduce la necesidad de pruebas tanto en seres humanos como en animales. La investigación fue parte del proyecto del laboratorio iCHIP (siglas en inglés de ‘Plataforma de Investigación Humana Basada en Chips in vitro), que replicó sistemas humanos en plataformas diseñadas para analizar los efectos de compuestos químicos y biológicos tóxicos.
La investigación, publicada en Lab on a Chip y que aparece en la portada de la revista, describe la exitosa grabación de señales eléctricas y latidos celulares de células cardíacas humanas normales crecidas en una matriz de multielectrodos desarrollada en el laboratorio. Es el primer diseño, según los investigadores, capaz de cartografiar simultáneamente tanto la electrofisiología como la frecuencia de contracción de las células.
«Esta plataforma te permite realizar pruebas de alto rendimiento de fármacos y predecir sus efectos en el corazón», dijo Elizabeth Wheeler, investigadora principal de iCHIP. «Esta investigación nos permite medir por primera vez dos funciones del corazón: la contracción y la electrofisiología. Aún necesitamos validación y datos, pero eventualmente nos permitiría reducir la necesidad de pruebas en animales».
Los investigadores dijeron que la capacidad de registrar esas dos funciones sería útil para las compañías farmacéuticas, ya que podría alertar a los fabricantes de fármacos de problemas cardíacos causados por una droga en desarrollo antes de llegar a la etapa de ensayo clínico. La cardiotoxicidad es un efecto secundario frecuente de muchos medicamentos nuevos y, a menudo, contribuye a su fracaso final. Otros fármacos prescritos con frecuencia, como pueden ser los usados en quimioterapia, también se sabe que son cardiotóxicos. El uso del chip de corazón en investigaciones podría proporcionar información experimental sobre cómo funcionan los fármacos para evitar estos errores en el diseño de nuevos compuestos.
«Los problemas cardíacos pueden ser causados por muchas razones diferentes», dijo Fang Qian, investigador del LLNL, autor principal del documento. «Podría atribuirse a la conducción anormal de señales eléctricas por el corazón (como la arritmia), o la debilitada fuerza de contracción de los músculos del corazón (como la cardiomiopatía), o ambas. Una plataforma que sólo lea una sola función no puede decirnos exactamente qué está mal».
El ‘corazón en un chip’, que se basa en exitosas investigaciones anteriores de iCHIP del sistema nervioso periférico y central, implica el uso de células cardíacas humanas cultivadas durante un máximo de nueve días en un chip diseñado para tal efecto. Sorprendentemente, estas células, de forma natural y espontánea, crean un tejido cardíaco bidimensional que se contrae y empieza a «latir» después de dos días de cultivo. Expusieron el tejido a la norepinefrina, un fármaco estimulante utilizado para tratar la presión arterial baja y la insuficiencia cardíaca, y tanto la señal eléctrica como el latido aumentaron en las células, de forma similar a como sucedería en el cuerpo.
El cambio en la «frecuencia cardiaca» se midió usando electrodos altamente sensibles situados en la matriz de microelectrodos. Los investigadores concluyeron que la plataforma podría medir de forma exacta y no invasiva el crecimiento del tejido del corazón, la electrofisiología y los latidos del corazón, simultáneamente y en tiempo real.
«La verdadera ventaja de esta plataforma es poder medir al mismo tiempo los aspectos eléctricos y mecánicos del corazón», dijo Kris Kulp, investigador de LLNL. «Uno de los químicos que utilizamos para validar la plataforma, de hecho, desacopla la señal eléctrica de los latidos de la célula». Cuando las células fueron expuestas a este compuesto, las señales eléctricas continuaron normalmente, pero las células dejaron de contraerse. Para desarrollar con éxisto nuevos fármacos, necesitamos conocer todo el espectro de efectos que pueden tener sobre la función celular».
La parte más difícil de cultivar las células, según el investigador post-doctoral Chao Huang de LLNL, fue buscar diferentes densidades en el cultivo de células para encontrar una que permaneciera viva el tiempo suficiente y pudiera contraerse y responder de manera similar a lo que se esperaría en seres humanos. Anna Ivanovskaya, investigadora de la LLNL que trabajó en el modelado y la ingeniería de los circuitos, dijo que elegir la geometría correcta para el chip también fue difícil porque el diseño influye en la señal eléctrica. Ivanovskaya dijo que ella y el equipo probaron cuatro modificaciones diferentes de la matriz de electrodos antes de decidirse por la correcta.
Los científicos de LLNL creen que si es validada, se podría utilizar una plataforma fiable de ‘corazón en un chip’ para superar algunas de las limitaciones de las pruebas con fármacos y proporcionar una evaluación comprensiva del funcionamiento del corazón en la contramedida médica y el desarrollo de fármacos. Sin embargo, advierten que se necesitan más pruebas.
«Con análisis masivos de alto rendimiento, podrías analizar muchos medicamentos al mismo tiempo y obtener una gran cantidad de datos a la vez», dijo Qian. «Es asombrosa la cantidad de dinero y tiempo que se necesita para conseguir la comercialización de fármacos. Esto podría acelerar el proceso».
Artículo original publicado por Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Revisado y traducido por ¡QFC!
