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Órgano en un dispositivo de chip modelos de enfermedad cardíaca
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Órgano en un dispositivo de chip modelos de enfermedad cardíaca

Un dispositivo de órgano en un chip que modela la enfermedad cardíaca
Un nuevo dispositivo que modela la aterosclerosis puede ayudar a los investigadores a comprender mejor la enfermedad, desarrollar terapias y diagnosticar la salud de la sangre.

Microdispositivo de aterosclerosis en un chip para modelar la estenosis y evaluar la salud de la sangre.
Crédito: Han Wei Hou
Cuando se estudian enfermedades o se prueban terapias farmacológicas potenciales, los investigadores generalmente recurren a células cultivadas en placas de Petri o experimentos con animales de laboratorio, pero recientemente, los investigadores han desarrollado un enfoque diferente: dispositivos pequeños de órgano en un chip que imitan las funciones de órganos humanos, que sirven como herramientas potencialmente más baratas y más efectivas.

Ahora, los investigadores han construido un nuevo dispositivo que es especialmente bueno para modelar la aterosclerosis, la constricción de los vasos sanguíneos que es la principal causa de ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares. En un documento que aparece esta semana en APL Bioengineering, de AIP Publishing, los investigadores ilustran cómo el nuevo dispositivo se puede utilizar para estudiar las respuestas inflamatorias importantes en las células que recubren el vaso en formas que no podrían realizarse en modelos animales. El equipo de investigación también explica cómo este órgano en un chip podría mejorar las pruebas de sangre para los pacientes.

"La aterosclerosis es una enfermedad muy importante y compleja", dijo Han Wei Hou, ingeniero biomédico de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur. Se desarrolla cuando la grasa, el colesterol y otras sustancias en la sangre forman una placa que se acumula en las paredes internas de las arterias. Esta acumulación contrae el vaso sanguíneo, causando enfermedades cardiovasculares.

Comprender qué es lo que regula esta constricción anormal del vaso es crucial para estudiar y tratar la enfermedad del vaso y prevenir el paro cardíaco agudo. Aunque los investigadores desarrollaron previamente modelos de vasos sanguíneos organizados en un chip, esos dispositivos se centraron más en recrear la complejidad biológica del vaso que en su forma y geometría, que son factores clave en la aterosclerosis, dijo Hou. "Implica no solo el aspecto biológico de la disfunción endotelial, sino también la biomecánica del flujo sanguíneo".

Para abordar el flujo sanguíneo, los investigadores construyeron un dispositivo que se ajusta a un solo chip de una pulgada cuadrada, que consta de dos cámaras apiladas separadas por una membrana de polímero delgada y flexible. La parte inferior contiene aire, mientras que la parte superior contiene un fluido fluido similar en propiedades mecánicas a la sangre. Dentro de la cámara llena de líquido en la parte superior de la membrana, los investigadores desarrollan células endoteliales, las células que recubren el interior de los vasos sanguíneos. Los investigadores bombean aire a la cámara inferior, por lo que la membrana se estira como un globo y forma una burbuja que bloquea el flujo de fluido. Este proceso simula el estrechamiento de un vaso.

La cámara llena de líquido se contrae, haciendo que el fluido fluya más rápido en algunas regiones y más lento en otras. Cuando los investigadores desarrollaron las células bajo un flujo de fluido continuo pero lento, las células endoteliales pudieron crecer y expresar una proteína llamada ICAM-1; esta proteína está asociada con la inflamación y es importante en el desarrollo de la aterosclerosis.

Los investigadores encontraron que cuando reemplazaron los medios de cultivo celular con sangre humana, más células inmunes llamadas monocitos se unieron a las células endoteliales en regiones de flujo bajo. Los monocitos son los principales responsables de la acumulación de lípidos, que eventualmente se convierten en la placa que causa la aterosclerosis.

Estos resultados en un chip son consistentes con la imagen ampliamente aceptada de la enfermedad: el flujo sanguíneo alterado en vasos constreñidos promueve la inflamación vascular, lo que fomenta el reclutamiento de monocitos para ayudar a crear placas. "El nuevo modelo puede simular con mayor precisión la aterosclerosis porque [el] investigador puede sintonizar con precisión el control de la presión del aire", dijo Hou. Este dispositivo podría ayudar a los investigadores a comprender mejor la aterosclerosis y desarrollar nuevos tratamientos.

"[El dispositivo] tiene muchas promesas en términos de diagnóstico", dijo Hou. Como un experimento de prueba de concepto, los investigadores bombearon sangre inyectada con TNF-alfa, una proteína que es un signo de inflamación, en su dispositivo. La sangre inflamada causó que más células inmunes se unieran a las células endoteliales de lo normal. La medición del número de células inmunitarias unidas puede revelar el nivel de inflamación en la sangre, un indicador de aterosclerosis temprana. A diferencia de otras pruebas que solo cuentan el número de células inmunes que circulan en la sangre, esta técnica podría evaluar con mayor precisión las respuestas inmunes tempranas en los pacientes.


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