Pequeñas máquinas vivientes

En un laboratorio del cuarto piso de la Universidad de Harvard, Adam Feinberg mira a través de un microscopio de bajo aumento y usa un bisturí para cortar triángulos y rectángulos de un polímero delgado. Lo que es imposible de ver a simple vista es una capa de tejido cardíaco de una célula de espesor que recubre cada forma. Cuando Feinberg conecta la placa de Petri que sostiene los triángulos y rectángulos a un marcapasos, el tejido comienza a contraerse rítmicamente y las formas cobran vida, retorciéndose, pellizcando e incluso nadando a través de una solución.

Sellos de corazón : Adam Feinberg (izquierda), un postdoctorado en Harvard, y Kevin Kit Parker, profesor de ingeniería biomédica, fabrican diminutas máquinas con tejido cardíaco de rata.

Los trozos de películas delgadas musculares tienen solo unos pocos milímetros de largo y solo 30 micrómetros de espesor; a primera vista se asemejan a pequeños gusanos que se pueden encontrar moviéndose en un charco de barro. Kevin Kit Parker, el profesor de ingeniería biomédica que dirige el laboratorio de Harvard, bromea diciendo que planea retirarse al sur, donde se crió, y venderlos como señuelos personalizables en una tienda de cebos.

Esta historia fue parte de nuestro número de enero de 2008

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Pero el experimento tiene implicaciones completamente serias. Eventualmente, los parches de tejido espasmódico podrían usarse como actuadores para diminutos dispositivos robóticos implantados en el cuerpo. Las células musculares serían alimentadas por el azúcar en el torrente sanguíneo y mantenidas por los mismos mecanismos de reparación que mantienen el corazón latiendo. Parker dice que la película recubierta de músculo también podría usarse para regenerar tejido dañado en ataques cardíacos. Pero tales aplicaciones están bastante lejos, dice. En un plazo más cercano, los dispositivos podrían usarse para ayudar a los investigadores a monitorear cómo los medicamentos experimentales cambian el comportamiento del músculo cardíaco.

Impresión de tejido
Esta no es la primera vez que los investigadores cultivan músculo cardíaco latiendo en un plato. Pero Parker y Feinberg, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Parker, han encontrado formas de hacer que los tejidos sean mucho más poderosos, contrayéndose con la misma fuerza que el tejido natural del corazón.

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• Mire una película que explique cómo los investigadores crean los actuadores.

• Vea el latido del tejido cardíaco al mismo tiempo que las señales eléctricas.

La fabricación de los dispositivos comienza con una técnica de impresión biológica, desarrollada por químicos de Harvard, que puede depositar proteínas en patrones microscópicos en varias superficies. Parker y Feinberg utilizan el método para organizar con precisión las células del corazón en tejido de trabajo.

El proceso parece normal. Trabajando en una campana de laboratorio estéril, Feinberg coloca algunos trozos de caucho de silicona transparente en una placa de Petri. Los trozos son sellos estampados con una serie de líneas microscópicas. El patrón fue creado moldeando los sellos en una oblea de silicio grabada usando las mismas técnicas que producen microchips. En cada sello, Feinberg arroja una tinta transparente que contiene una proteína común llamada fibronectina. A medida que el sello se seca, se forma una fina capa de proteína. Sosteniendo un sello con un par de pinzas, Feinberg lo presiona sobre un cubreobjetos de vidrio recubierto de silicona, transfiriendo proteínas de la parte elevada del patrón microscópico a la película de silicona.

Con los patrones de proteínas sellados y listos, Feinberg sumerge el cubreobjetos en una solución de células cardíacas jóvenes, aún en desarrollo, recolectadas de ratas. Las células comienzan a adherirse a la fibronectina, formando líneas ordenadas. Luego, Feinberg coloca las células y el cubreobjetos con patrón de proteínas, todavía sumergido en la solución, en una incubadora a temperatura corporal. Durante los próximos días, las líneas de fibronectina guían la organización y el desarrollo de las células. Comienzan a formarse unidades contráctiles largas, parecidas a fibras, guiadas por las células para que se alineen paralelas a las líneas de proteína. Si no estuvieran alineados de esta manera, las células lucharían entre sí mientras se contraen en lugar de tirar en la misma dirección. Sin embargo, todas las células alineadas se contraen a lo largo del mismo eje, de forma muy similar a como lo hacen en el tejido cardíaco natural.

Cuando Feinberg retira el tejido recién crecido de la incubadora, este y la película de silicona en la que está impreso quedan inmovilizados por el cubreobjetos de vidrio rígido. Pero a medida que se enfrían, un pegamento sensible a la temperatura que sujeta la silicona al vidrio comienza a disolverse. Feinberg tiene solo unos minutos para cortar formas antes de que la silicona y el tejido floten libremente. Una vez que lo hacen, el tejido cardíaco puede contraerse, lo que hace que la película a la que está anclada comience a doblarse y torcerse.

Hasta ahora, Feinberg ha fabricado bombas rudimentarias, actuadores giratorios, tenazas, un dispositivo que nada lentamente y otro que camina por el fondo de una placa de Petri. Una tira rectangular larga, cortada de la película de modo que las líneas de células se extiendan a lo largo de su longitud, se enrosca con cada contracción. Otro rectángulo, cortado en un ligero ángulo con respecto a las celdas, se enrolla en un sacacorchos. La cola estrecha de una pieza triangular impulsa la forma a través de la solución. El comportamiento de estos dispositivos se puede controlar como el de un corazón natural: con un marcapasos. Feinberg engancha cables eléctricos al plato pequeño que sostiene los dispositivos. Ráfagas de electricidad de bajo voltaje viajan a través de la solución, lo que indica al músculo que se contraiga.

Músculos con drogas
Una forma práctica de medir el efecto de los medicamentos sobre el tejido cardíaco es determinar con qué fuerza se puede contraer el tejido tratado. Por lo tanto, el dispositivo que probablemente sea más útil a corto plazo es también uno de los más simples: una larga tira rectangular de tejido que se dobla ligeramente con cada pulso de electricidad. Estos dispositivos podrían usarse tanto para detectar medicamentos destinados a actuar sobre el corazón como para identificar medicamentos que pueden afectar negativamente al corazón.

Debido a que las propiedades mecánicas de la silicona son bien conocidas, es posible determinar exactamente cuánta fuerza está ejerciendo el tejido cardíaco midiendo cuánto se dobla la tira. Si se observa un cambio en la cantidad de fuerza que pueden ejercer las células, es una señal de que un medicamento está surtiendo efecto. Parker prevé un sistema de prueba de pequeños pozos, cada uno de los cuales contiene una tira de silicona y músculo cardíaco. Dicho sistema podría usarse para medir los efectos de diferentes compuestos, o diferentes concentraciones del mismo compuesto, sobre la capacidad de funcionamiento del tejido cardíaco. El sistema incluso podría automatizarse; Feinberg ya ha desarrollado un software que analiza el video de las tiras y calcula los cambios en la cantidad de fuerza que ejerce el tejido.

Hasta ahora, los investigadores solo han utilizado células de rata. Con el tiempo, esperan crear herramientas de detección con células humanas, quizás cultivando primero células madre y luego persuadiéndolas para que se conviertan en células cardíacas. También esperan crear sistemas similares con células musculares que recubren los vasos sanguíneos, para probar medicamentos para la hipertensión, por ejemplo. Para otras aplicaciones, los dispositivos deberán hacerse más pequeños (para robots implantables) o más grandes (para parches que ayudan a curar corazones dañados).

En última instancia, la clave de la tecnología puede ser su simplicidad, lo que podría facilitar la adaptación a una variedad de aplicaciones. Como dice Parker, hemos probado esta tecnología para que sea fácil de aprender, fácil de hacer y, finalmente, fácil de implementar en la clínica.

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