Los medicamentos recetados han permitido a millones de estadounidenses con afecciones médicas crónicas vivir vidas más largas y satisfactorias. pero muchos fármacos nuevos y prometedores nunca llegan a la etapa de ensayos en humanos debido al potencial de toxicidad cardíaca.

A través de la tecnología "corazón en un chip", modelando un corazón humano en un chip diseñado y midiendo los efectos de la exposición a compuestos en las funciones del tejido cardíaco utilizando microelectrodos, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) esperan disminuir el tiempo necesario para ensayos de nuevos medicamentos y garantizar que los medicamentos que pueden salvar vidas sean seguros y efectivos, al tiempo que reducen la necesidad de pruebas en humanos y animales. La investigación es parte del proyecto iCHIP (plataforma de investigación humana basada en chips in vitro) del laboratorio, que replica sistemas humanos en plataformas diseñadas para probar los efectos de compuestos químicos y biológicos tóxicos.

La investigación, publicado en línea el 18 de abril en la revista Laboratorio en un chip , describe el registro exitoso de señales eléctricas y latidos celulares de células cardíacas humanas normales cultivadas en una matriz de electrodos múltiples desarrollada en el laboratorio. Es el primer diseño, según los investigadores, capaz de mapear simultáneamente tanto la electrofisiología como la frecuencia de contracción de las células.

"Esta plataforma le permite realizar un cribado de alto rendimiento de medicamentos farmacéuticos y predecir sus efectos en el corazón, "dijo la investigadora principal de iCHIP Elizabeth Wheeler." Esta investigación nos permite medir dos funciones del corazón, contracción y electrofisiología, por primera vez. Todavía hay validación y datos que necesitamos, pero eventualmente nos permitiría reducir la necesidad de experimentación con animales ".

Los investigadores dijeron que la capacidad de registrar esas dos funciones sería útil para las compañías farmacéuticas porque podría alertar a los fabricantes de medicamentos sobre problemas cardíacos causados ​​por un medicamento al principio del proceso antes de llegar a la etapa de ensayo clínico. La cardiotoxicidad es un efecto secundario frecuente de muchos fármacos nuevos y, a menudo, contribuye a su fracaso final. Otros medicamentos recetados con frecuencia, como agentes de quimioterapia, también se sabe que son cardiotóxicos. La investigación que utilice el chip del corazón podría proporcionar información experimental sobre cómo funcionan los medicamentos para que se puedan diseñar nuevos compuestos para evitar estos escollos.

"Los problemas cardíacos pueden deberse a muchas razones diferentes, "dijo el investigador de LLNL Fang Qian, el autor principal del artículo. "Podría deberse a una conducción anormal de señales eléctricas en todo el corazón (como arritmia), o fuerza de contracción debilitada de los músculos del corazón (como cardiomiopatía), o ambos. Una plataforma que solo lee una sola función no puede decirnos exactamente qué es lo que está mal ".

El "corazón en un chip, "que se basa en investigaciones anteriores de iCHIP sobre los sistemas nerviosos central y periférico, implica el uso de células cardíacas humanas cultivadas durante hasta nueve días en el chip diseñado. Asombrosamente, estas células crecen de forma natural y espontánea hasta convertirse en un tejido cardíaco bidimensional que se contrae o comienza a "latir" después de dos días de cultivo. El tejido se expuso a norepinefrina, un medicamento estimulante que se usa para tratar la presión arterial baja y la insuficiencia cardíaca, y tanto la señal eléctrica como los golpes aumentaron en las células, similar a lo que sucedería en el cuerpo.

El cambio en la "frecuencia cardíaca" se midió utilizando los electrodos altamente sensibles en la matriz de microelectrodos. Los investigadores concluyeron que la plataforma podría medir de forma precisa y no invasiva el crecimiento del tejido cardíaco. electrofisiología y latidos cardíacos simultáneamente y en tiempo real.

"La verdadera fuerza de la plataforma es poder medir los aspectos eléctricos y mecánicos del corazón al mismo tiempo, ", dijo el investigador de LLNL, Kris Kulp." Uno de los productos químicos que usamos para validar la plataforma en realidad desacopla la señal eléctrica del latido 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 éxito nuevos medicamentos, necesitamos conocer el espectro completo de efectos que pueden tener sobre la función celular ".

La parte más desafiante del crecimiento de las células, según el investigador postdoctoral de LLNL Chao Huang, estaba buscando diferentes densidades de siembra de células para encontrar una que se mantuviera viva el tiempo suficiente, y podría contraerse de manera mensurable y responder de manera similar a lo que se esperaría en los humanos. La investigadora del LLNL Anna Ivanovskaya, que trabajó en el modelado e ingeniería de 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 con validación, Se podría usar una plataforma confiable de corazón en un chip para superar algunas de las limitaciones de las nuevas pruebas de drogas. y proporcionar una evaluación integral del funcionamiento del corazón en contramedidas médicas y desarrollo de fármacos. Ellos advierten sin embargo, que se necesitan más pruebas.

"Con alto rendimiento, detección de alto contenido, puede probar muchos medicamentos al mismo tiempo y obtener una gran cantidad de datos a la vez, ", Dijo Qian." Es asombroso la cantidad de dinero y tiempo que se necesita para llevar las drogas al mercado. Esto podría acelerar el proceso ".