Un esquema gráfico (izquierda) y una fotografía (centro) del dispositivo de dos capas que muestra el canal superior (marcado con líneas amarillas) e inferior (marcado con líneas rojas) separados por una membrana semipermeable. El esquema de la derecha muestra el cultivo de una monocapa de células endoteliales en la membrana semipermeable y la forma en que se realiza el tratamiento con TNF-α desde el canal inferior. B, (i) Imagen de campo brillante del canal superior (marcado con líneas amarillas) e inferior (marcado con líneas rojas) que definen el flujo ascendente, Secciones activadas por TNF-α y aguas abajo, (ii) Imágenes de citoesqueleto de actina F marcadas con fluorescencia (faloidina FITC) de la capa BAOEC confluente alineada con el flujo (12 dinas / cm2 FSS durante 24 horas). Las células se cultivan en la membrana semipermeable en el canal superior del dispositivo. La flecha muestra la dirección del flujo (barra de escala:100 μm) Crédito:Yaling Liu
La nanotecnología ha llevado a mejores técnicas de diagnóstico y tratamientos más efectivos para una variedad de enfermedades. Pequeños dispositivos que miden entre 1 y 100 micrómetros (un micrómetro es igual a una millonésima parte de un metro) permiten a los científicos observar la actividad celular y administrar medicamentos a células individuales, un avance que está a punto de revolucionar la medicina de precisión para el tratamiento de enfermedades como cáncer.
Un obstáculo para cumplir la promesa de la nanomedicina es la incapacidad de observar las interacciones de célula a célula a nanoescala en un entorno que simula de cerca el entorno dinámico dentro del cuerpo. Un entorno de microfluidos que imita el flujo sanguíneo es clave para aprender cómo las células se dañan por las enfermedades y cómo pueden recuperarse en respuesta al tratamiento.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Lehigh y la Universidad de Pensilvania ha desarrollado una técnica para observar la interacción de célula a célula a nanoescala en condiciones de microfluidos. Han aplicado con éxito la técnica al estudio de la inflamación de los vasos sanguíneos, una condición que prepara el escenario para las enfermedades cardíacas, la principal causa de muerte en los EE. UU. y a nivel mundial. Sus hallazgos han sido publicados en Biomicrofluidos .
"Hemos demostrado que nuestra técnica se puede aplicar con éxito al estudio de la inflamación y estamos trabajando en una forma de observar e intervenir de manera similar en la reparación de las células tumorales". "dijo Yaling Liu, Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica y Mecánica, Bioingeniería en Lehigh y coautor del estudio.
Las pruebas de drogas in vitro actuales son costosas, consume mucho tiempo y es relativamente deficiente para predecir el rendimiento del fármaco in vivo. La tecnología PharmaFlux es un servicio de prueba de microdispositivos para candidatos a fármacos en microambientes de enfermedades simuladas. Crédito:Yaling Liu
Imitando el proceso de transferencia dinámica
Crónico, La inflamación de bajo grado está fuertemente asociada con células endoteliales disfuncionales, que forman el revestimiento interno de los vasos sanguíneos. La aparición de la molécula de adhesión intercelular 1 (ICAM-1) en la superficie de las células endoteliales, fundamental en la regulación de la interacción célula a célula como parte de la respuesta del sistema inmunológico del cuerpo, es una señal segura de la presencia de inflamación y enfermedad. Por lo tanto, observar la activación de las células endoteliales en condiciones de enfermedad es esencial para comprender cómo se desarrolla la enfermedad cardíaca y cómo detenerla.
La mejor forma de observar estos cambios es dentro del cuerpo. Sin embargo, es muy difícil hacer esto. La observación de la enfermedad en un cultivo celular estático, mediante la extracción y el crecimiento de células en un entorno artificial como una placa de Petri, tiene una capacidad limitada para representar con precisión las interacciones dinámicas en condiciones de flujo sanguíneo.
Además de Liu, el equipo de Lehigh incluye a Linda Lowe-Krentz, Profesor, Ciencias Biologicas; H. Daniel Ou-Yang, Profesor, Física; y Ph.D. estudiante Antony Thomas. Colaboraron con Vladimir R. Muzykantov, Profesor de Farmacología en Penn para desarrollar un vaso sanguíneo en un chip con el fin de estudiar la dinámica de ICAM-1 en la superficie de las células endoteliales activadas en condiciones de enfermedad.
"Pudimos imitar y observar el proceso de transferencia dinámica, ese momento en el que las nanopartículas recubiertas de anticuerpo de la molécula de adhesión intercelular 1 se unen a la célula, lo que indica la regulación positiva de la inflamación por parte de las células endoteliales, en un chip. También pudimos controlar con precisión el flujo de fluido, ", dijo Liu." Este método confiable y relativamente simple simula las condiciones bajo las cuales existen células endoteliales en el cuerpo, permitiendo observar la patología celular en tiempo real, y analizar las diferencias en las respuestas de las células al tratamiento ".
Un entorno ideal para pruebas de drogas
Debido a que esta nueva tecnología crea una plataforma para enfocarse en una región enferma en particular, Liu y sus colegas creen que es ideal para probar nuevos tratamientos para enfermedades.
Las células sanas existen en el mismo chip que las células enfermas, lo que permite un control más localizado para probar un fármaco en particular. Esta, combinado con el entorno de flujo sanguíneo simulado, también permite a los investigadores recopilar un conjunto de datos mucho más sólido de lo que podrían mediante el uso de una cultura estática.
El uso por parte del equipo de nanopartículas recubiertas de anticuerpos como sondas de imágenes para evaluar las características de las células es otro beneficio clave de la nueva tecnología. El uso de sondas de nanopartículas elimina la necesidad de emplear anticuerpos ICAM-1 marcados con radioisótopos para rastrear interacciones celulares, una técnica que está plagada de desafíos regulatorios y de seguridad. También es muy caro.
"Nuestro sistema proporciona una una forma menos costosa y prohibitiva de probar un nuevo medicamento en un entorno que se aproxima mucho al entorno de una región enferma, "dijo Liu.
Un "puente" hacia la medicina de precisión
La plataforma innovadora del equipo también proporciona una visión temprana crucial de la eficacia y seguridad de un nuevo medicamento, un paso particularmente importante considerando los riesgos y gastos asociados con los ensayos clínicos en humanos.
Un estudio de 2012 presentado al Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU. Detalló los costos de los ensayos clínicos de medicamentos. Los autores de "Examen de los costos de los ensayos clínicos y las barreras para el desarrollo de medicamentos" estimaron que el costo de completar los ensayos clínicos para un nuevo medicamento está entre aproximadamente $ 50 millones y $ 115 millones, según el área terapéutica; el sistema respiratorio y la oncología se encuentran entre los más costosos. .
El estudio también identificó los costos de los ensayos clínicos como una posible razón detrás de una desaceleración en las solicitudes de aprobación de nuevos medicamentos. Entre 2003 y 2012, el número de aprobaciones de medicamentos nuevos por parte de la FDA por año se redujo del promedio de la década anterior de 30 a 25,7. El número medio anual de solicitudes también se ha reducido ligeramente durante el mismo período de tiempo. Los autores afirman:"Una reducción en el proceso de aplicación de medicamentos significa menos terapias nuevas en los próximos años".
La tecnología desarrollada por el equipo de Lehigh y UPenn ofrece a las empresas farmacéuticas la capacidad de obtener una visión temprana del perfil de eficacia y seguridad de un nuevo tratamiento antes de comprometerse con los ensayos clínicos. incurriendo así en menos riesgo y menores costes. Según Liu, esta primera mirada podría actuar como un "puente" entre el desarrollo de un fármaco y los ensayos en humanos. En última instancia, y lo más importante, proporcionar este "puente" podría resultar en el desarrollo de tratamientos más novedosos para enfermedades que lleguen a los consumidores más rápidamente.
Cultivando directamente las células del paciente en su chip biomimético y probando en condiciones similares observadas in vivo, puede proporcionar información para la medicina de precisión que se adapta a un paciente específico en un entorno específico de paciente.
Liu, junto con el mentor de la industria Ira Weisberg (CEO de Amherst Pharmaceuticals) y el empresario líder Christopher Uhl (estudiante de doctorado en bioingeniería en Lehigh) han recibido una subvención de NSF Innovation Corp y han estado trabajando con la Oficina de Transferencia de Tecnología de la Universidad de Lehigh para comercializar la tecnología bajo el nombre de la empresa PharmaFlux.
"A medida que continuamos desarrollando la plataforma más allá del estudio de la inflamación, "Liu dice, "Esperamos hacer una contribución significativa a la aceleración de la administración de medicamentos dirigidos y ayudar a marcar el comienzo de una nueva era de mejores medicinas".
