El conejillo de indias de silicio

A primera vista, el chip de Michael Shuler podría pasar por cualquier pequeña placa de silicio extraída de una computadora o teléfono celular. Lo que hace que parezca aún más fuera de lugar en una mesa en el laboratorio de investigadores de la Universidad de Cornell, rodeado de placas de Petri, vasos de precipitados y otros desorden biológico y montado en una bandeja de plástico como un ratón diseccionado. El chip parece estar en una especie de soporte vital, con un fluido rosado bombeando a través de tubos. Shuler señala metódicamente los componentes del chip con un lápiz: aquí está el hígado, los pulmones están por aquí, esto es grasa. Luego inyecta una droga experimental en la sangre de imitación que recorre estos órganos y tejidos, en realidad pequeños laberintos de tubos retorcidos y cámaras revestidas de células vivas. El compuesto reaccionará con otras sustancias químicas, se acumulará en algunos órganos y pasará rápidamente a través de otros. Después de varias horas, Shuler y su equipo estarán más cerca de responder una pregunta clave: ¿es probable que el compuesto, cuando se le dé a un humano real, haga más daño que bien?

Este llamado animal en un chip fue diseñado para ayudar a superar un enorme obstáculo para el descubrimiento de nuevos medicamentos: actualmente no existe una forma rápida y confiable de predecir si un compuesto experimental tendrá efectos secundarios tóxicos, si enfermará a las personas en lugar de producir efectos secundarios. ellos bien. La prueba en animales es lo mejor que pueden hacer los fabricantes de medicamentos, pero es lenta, costosa, a menudo inexacta y objetable para muchos. Para minimizar el número de pruebas con animales, las compañías farmacéuticas examinan de forma rutinaria los candidatos a fármacos utilizando cultivos celulares, esencialmente grupos de células humanas o animales vivas que crecen en placas de Petri o tubos de ensayo. El enfoque es relativamente barato y fácil, pero solo ofrece una predicción confusa de lo que le sucederá a un compuesto en el tortuoso viaje a través de los tejidos y órganos de un animal.

Esta historia fue parte de nuestro número de junio de 2004

• Ver el resto del número
• Suscribir

Shuler se encuentra entre un puñado de investigadores que están desarrollando cultivos celulares más sofisticados que simulan los órganos y tejidos complejos del cuerpo. La ingeniera de tejidos del MIT, Linda Griffith, por ejemplo, ha construido un chip que imita algunas de las funciones del hígado, mientras que Shuichi Takayama, un ingeniero biomédico de la Universidad de Michigan, ha construido uno que imita el comportamiento del sistema vasculatorio. (ver Otros esfuerzos de Animal-on-a-Chip, a continuación). Pero aunque tales esfuerzos han producido análogos convincentes de partes de cuerpos humanos o animales, Shuler ha ido un paso más allá. Trabajando con su colega Greg Baxter, quien lanzó Hurel, con sede en Beverly Hills, CA, para comercializar la tecnología, Shuler ha combinado réplicas de múltiples órganos de animales en un solo chip, creando un sustituto aproximado para un mamífero completo. Otras versiones de los chips de Shuler intentan ir aún más lejos, utilizando células humanas para reproducir más fielmente los efectos de un compuesto en el cuerpo.

Las compañías farmacéuticas están interesadas, y no es de extrañar: rutinariamente fabrican miles, incluso decenas de miles, de compuestos con la esperanza de encontrar uno que sea eficaz contra un objetivo en particular. Los chips como los de Shuler y Baxter podrían significar una forma barata, rápida y precisa de eliminar compuestos que eventualmente resultarían tóxicos, ahorrando a las empresas años y millones de dólares en el desarrollo de medicamentos sin valor. Según un estudio reciente del Centro para el Estudio del Desarrollo de Fármacos de la Universidad de Tufts, por cada fármaco que llega al mercado, la industria farmacéutica gasta un promedio de 467 millones de dólares en pruebas en humanos; la gran mayoría del dinero se destina a fármacos que fallan, ya sea porque no son efectivos o porque resultan tóxicos. Si se pudieran identificar más fallas antes de que comenzaran las pruebas con animales, las empresas podrían dedicar más tiempo y dinero a los ganadores. Todos en la industria esperan tener sustitutos para animales y humanos cuando se trata de probar compuestos, dice Jack Reynolds, director de ciencias de seguridad de Pfizer, la empresa farmacéutica más grande del mundo. Este es el tipo de tecnología que queremos en nuestra caja de herramientas.

OTROS ESFUERZOS ANIMAL-ON-A-CHIP
Líder del proyecto	Grupo	Tecnología
Amanecer Applegate	RegeneMed (San Diego, CA)	Fichas revestidas con tejido hepático humano para detección de drogas
Linda Griffith	CON (Cambridge, MA)	Hígado en un chip para detección de drogas
Paul Kosnik	Génesis del tejido (Honolulu, HI)	Chips con células vasculares y de ligamentos para desarrollar el reemplazo de tejidos.
Shuichi Takayama	Universidad de Michigan (Ann Arbor, MI)	Chips de cultivo celular con canales que imitan el sistema vasculatorio
William Wang	Pharmacom (Ciudad de Iowa, IA)	Chips de detección de drogas que incluirán células del cerebro y otros órganos

Pastillas de veneno

Las cajas de herramientas de los desarrolladores de fármacos ya cuentan con una serie de pruebas sencillas de cultivo celular destinadas a predecir rápidamente qué fármacos potenciales tendrán efectos secundarios tóxicos. El problema con estas pruebas es que a menudo se también simple. Un escenario típico: los investigadores arrojan una solución que contiene un medicamento experimental en placas de Petri donde las células vivas recolectadas de los pulmones de una rata flotan en un caldo rico en nutrientes. Si las células mueren, los investigadores ponen en tabla el compuesto y prueban con otro; si las células sobreviven, comienzan el largo y costoso proceso de probar el compuesto en ratones, ratas y otros animales. Pero el hecho de que el compuesto no mate las células pulmonares ofrece pocas garantías de que no enfermará a las personas.

Cuando una persona toma un medicamento, su ingrediente activo da un paseo salvaje para llegar a las células diana: puede ser absorbido por el intestino, descompuesto por enzimas en el hígado, acumulado durante semanas por las células grasas, detectado por un cerebro. membrana, y giraba a través de toda la prueba una y otra vez por la sangre. Cuando eso sucede, un compuesto que de otro modo sería inofensivo puede acumularse en un órgano en particular hasta que alcance niveles tóxicos. O puede transformarse en un compuesto completamente diferente, que en sí mismo es tóxico. Reynolds de Pfizer estima que, de los candidatos a fármacos que terminan resultando inseguros, aproximadamente el 40 por ciento adquiere su toxicidad después de convertirse en otros compuestos en el cuerpo.

Una de las razones por las que las pruebas de cultivo celular convencionales a menudo confunden a los investigadores es que no presentan la combinación compleja de enzimas y otras sustancias químicas que un fármaco puede encontrar y con las que puede reaccionar en los diversos tejidos del cuerpo. Y los cultivos de células simples no revelan cuánto de un fármaco llega realmente a los diferentes tipos de células, en qué forma y durante cuánto tiempo. De hecho, casi la mitad de los medicamentos que parecen seguros en las pruebas de cultivo celular resultan tóxicos en las pruebas con animales; y aún más fallan cuando se encuentran con los complejos tejidos y órganos humanos. Los investigadores esperan, sin embargo, que los cultivos celulares que simulan mejor las condiciones en el cuerpo hagan un trabajo mucho mejor en la detección de drogas tóxicas, reduciendo la dependencia de las pruebas en animales y humanos. El santo grial de la industria es poder predecir la toxicidad de un cultivo celular, dice Peter Lord, jefe de toxicología mecanicista en desarrollo preclínico en Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development.

Fontanería pequeña

Michael Shuler es un larguirucho profesor de ingeniería química de 57 años que ha cultivado un interés secundario en los procesos biológicos desde la escuela secundaria. En 1989 se interesó por las pruebas de toxicidad y había estado reflexionando sobre la falta de fiabilidad de los cultivos celulares convencionales cuando se le ocurrió una idea: ¿podría hacer un cultivo celular que reproduzca el viaje a través de los distintos órganos? Lo reconoció como un problema de ingeniería química: las cámaras de vidrio revestidas con diferentes tipos de células y conectadas a través de tubos entre sí y a una bomba que enviaba fluido a través de ellas simularían de manera mucho más realista un cuerpo, y las pruebas que las emplean podrían predecir lo que sucede. en animales vivos con mucha más precisión.

Después de varios meses, Shuler y los estudiantes habían construido un conglomerado de células y tuberías que proporcionaba un modelo de trabajo burdo de un conjunto de órganos de mamíferos. De alguna manera funcionó, pero Shuler sabía que había un gran problema con su fidelidad: casi toda la química en el cuerpo tiene lugar en tejidos llenos de canales y cámaras diminutos, donde las reacciones críticas dependen de la capacidad de varios químicos para concentrarse en algunos lugares y difusos en otros, dependiendo en parte de la geografía microscópica. Mezclar todo en grandes vasos distorsionaría ese delicado equilibrio. Además, con este tamaño, el sistema no sería lo suficientemente práctico ni económico para realizar pruebas a gran escala.

Mientras tanto, el biólogo molecular Greg Baxter acababa de unirse al Centro de Nanobiotecnología de Cornell como científico investigador. Su especialidad eran los microfluidos, esencialmente, plomería microscópica en un chip. En su segundo día, abordó a Shuler en su laboratorio, preguntándose si tenía algún proyecto que pudiera beneficiarse de la ultraminiaturización. Es curioso que preguntes, dijo Shuler.

Solo se necesitaron dos reuniones para elaborar el diseño básico del chip y un año para producir el primer prototipo. Para construir uno de los dispositivos, los investigadores excavan diminutas trincheras que parecen rasguños leves en un chip de silicio del tamaño de una miniatura; estas trincheras sirven como tuberías de transporte de fluidos. La producción de características microfluídicas en chips para probar reacciones químicas e imitar procesos biológicos no es nueva. Pero al combinar sus habilidades en ingeniería química y microfabricación, Shuler y Baxter agregan un giro significativo: han diseñado los tamaños, longitudes y diseño de todas las trincheras en un intento de duplicar de cerca los flujos de fluidos y las exposiciones químicas que experimentan las células en órganos reales.

Las trincheras actúan como vasos sanguíneos sustitutos, transportando sustancias químicas dentro y entre los órganos sustitutos del chip, que a su vez están compuestos por trincheras que están en espiral o serpentean en densos coágulos de aproximadamente medio centímetro de ancho. Miles de células vivas están fijadas al suelo de las trincheras de cada órgano. Una bomba externa del tamaño de un ladrillo hace circular un fluido rico en nutrientes, un sustituto de la sangre, a través del chip. Cuando se agrega un compuesto de prueba al fluido, su viaje de silicio es aproximadamente análogo al que experimentaría en un mamífero vivo, gracias a 13 años de juguetear con el tamaño, el patrón y las interconexiones de cada órgano, y con los tamaños y formas de los órganos. varias trincheras. Queríamos que el entorno de las células fuera lo más realista posible, desde la entrega de nutrientes y la eliminación de productos de desecho hasta las tensiones mecánicas que experimenta, dice Shuler.

Después de que un compuesto de prueba ha circulado a través del chip durante varias horas, se monitorean las células en el chip, ya sea con un microscopio o mediante sensores integrados que pueden probar oxígeno y otros indicadores. ¿Las células absorben el compuesto? ¿Los enferma o los mata? Como en un animal real, cada órgano o tejido juega un papel específico en el chip. El hígado y el intestino descomponen algunos compuestos en moléculas más pequeñas, por ejemplo, mientras que la grasa, atascada no solo con células, sino también con un gel esponjoso, a menudo retiene los compuestos, lo que les permite filtrarse más tarde. Normalmente se incluye un órgano o tejido diana para demostrar los efectos finales del compuesto; esto podría ser un tumor canceroso o un tejido especialmente vulnerable, como el pulmón o la médula ósea.

Los chips, por supuesto, tendrán que probarse exhaustivamente antes de que las empresas farmacéuticas los utilicen ampliamente. Aún así, las primeras señales son alentadoras. Shuler realizó un experimento con naftaleno, un compuesto que se usa en bolas de naftalina y pesticidas. La exposición excesiva causa daño pulmonar, pero no lo sabría por las pruebas estándar de cultivo celular. Eso se debe a que el culpable no es la naftalina en sí, sino más bien dos sustancias químicas producidas por el hígado cuando descompone la naftalina. Si supiera eso y salpicara esos subproductos directamente sobre las células pulmonares en cultivo, observaría una respuesta tan severa que concluiría que incluso una exposición leve a la naftaleno es extremadamente peligrosa. Pero eso también está mal; resulta que las células grasas extraen gran parte de los compuestos tóxicos del sistema. El chip de Shuler imita de manera convincente esta cadena de eventos, proporcionando una medida realista del daño.

Una simulación tan precisa promete ayudar a las compañías farmacéuticas a mejorar su selección de fármacos candidatos, y perder menos tiempo y dinero en aquellos que finalmente fracasarán en las pruebas con animales. Según Baxter, los chips están listos para una aplicación de este tipo en este momento, y seis grandes empresas están hablando con Hurel sobre la adopción de la tecnología. Shuler, con la ayuda de un equipo de estudiantes y colaboradores en Cornell y en otros lugares, está trabajando para reducir y automatizar aún más la tecnología. El objetivo: un banco del tamaño de una hoja de papel de 96 chips que se conecta a una configuración de laboratorio robótica que agrega rápidamente medicamentos de prueba y monitorea los resultados. El sistema no solo podría reemplazar los cultivos celulares convencionales, sino también reducir la dependencia de los experimentos con animales, en los que los investigadores deben usar una gran cantidad de animales para probar diferentes dosis de un fármaco, y deben monitorear esos animales a lo largo del tiempo para detectar efectos secundarios sutiles. Estamos hablando de realizar una prueba en uno o dos días que llevaría meses con animales, dice Shuler. Shuler proyecta un precio de producción por chip de alrededor de 50 dólares completos con células, en comparación con los cientos o incluso miles de dólares que se necesitan para adquirir y mantener un solo animal de laboratorio.

Tipo de humano

Los chips que replican el funcionamiento de los animales probablemente serán las primeras versiones de la tecnología en tener un impacto comercial. Pero la esperanza es que una vez que se demuestre que predicen con precisión los resultados de las pruebas con animales, las versiones de humanos en un chip proporcionarán una buena indicación de cuán tóxico es probable que un fármaco resulte en los ensayos con humanos.

La experimentación con animales juega ese papel ahora, pero no muy bien. Cuatro de cada cinco medicamentos que superan las pruebas con animales terminan fallando en los ensayos clínicos en humanos, generalmente debido a problemas de seguridad. Parte del problema es que los ratones no pueden decirle que tienen dolores de cabeza, visión borrosa o calambres estomacales. Pero el problema más importante es simplemente que los órganos de los animales y los procesos que tienen lugar en ellos no son idénticos a los de los humanos. Nadie sabe cuántos medicamentos que habrían sido seguros para los humanos se dejaron de lado porque enfermaron a algunos animales. (La penicilina, por ejemplo, es tóxica para los conejillos de indias, pero afortunadamente también se probó en ratones).

Los chips que contienen tejidos y órganos humanos simulados también podrían permitir a los investigadores elaborar complicados esquemas de múltiples fármacos para tratar diversas enfermedades sin someter a los pacientes a agonizantes rondas de prueba y error. Shuler, por ejemplo, se está concentrando en los cócteles contra el cáncer. Incorpora células humanas de tumores uterinos o de colon en sus chips, estableciendo un modelo más realista de un tipo particular de cáncer. Luego, puede probar la capacidad de varias combinaciones de medicamentos de quimioterapia para matar las células sin enfermar al resto del sistema. Para encontrar buenas terapias combinadas, es necesario realizar muchas pruebas para determinar las dosis correctas y el orden en que se administran los medicamentos, explica. Es el tipo de problema que podemos solucionar con esta tecnología.

Ni Baxter ni Shuler afirman que el animal en un chip sea una panacea para el complejo y desafiante proceso de desarrollo de fármacos. Por un lado, los chips todavía tienen que demostrar en pruebas a gran escala que realmente hacen un mejor trabajo que los cultivos celulares convencionales para predecir la toxicidad. Pero si están a la altura, entonces las píldoras que tome dentro de diez años pueden llegar gracias a los sacrificios de una rata de laboratorio de silicio.

esconder