Cada pocos segundos, tus pulmones se expanden y contraen sin que lo pienses. Ese estiramiento rítmico ocurre en millones de sacos de aire microscópicos, donde el oxígeno se desliza hacia la sangre y donde las bacterias invasoras intentan establecerse. Recrear ese movimiento en un laboratorio ha sido casi imposible… hasta ahora.
Investigadores del Instituto Francis Crick y la empresa de biotecnología AlveoliX han construido el primer modelo de pulmón humano en un chip en el que cada célula proviene de una persona. El dispositivo no se queda quieto bajo el microscopio. Máquinas especializadas tiran y estiran una fina membrana de silicio en tres dimensiones, imitando la expansión y contracción de la respiración real. Esa flexión mecánica induce a las células a desarrollar pequeñas proyecciones parecidas a pelos llamadas microvellosidades, estructuras que aumentan la superficie para el intercambio de gases. El resultado es un paisaje vívido y microscópico de tejido de sacos aéreos que se ve y se comporta como las partes más profundas de un pulmón humano.
Lo que lo diferencia de los chips pulmonares anteriores es su uniformidad genética. Los modelos anteriores se improvisaron a partir de células donadas por diferentes personas o extraídas de líneas celulares comerciales: mosaicos genéticos que no podían capturar cómo un cuerpo específico podría responder a una enfermedad. Esta vez, los científicos generaron todos los componentes a partir de células madre de un solo donante: las células epiteliales que recubren los sacos aéreos, las células endoteliales que forman las paredes de los vasos sanguíneos y los macrófagos que patrullan en busca de invasores.
La tuberculosis se abre paso en cinco días
Para probar si este chip respiratorio podría revelar procesos patológicos ocultos, el equipo introdujo Mycobacterium tuberculosis, la bacteria detrás de la tuberculosis. La tuberculosis es exasperantemente lenta en las personas y pasan meses antes de que aparezcan los síntomas. Cuando los médicos ven signos de infección, ya hace tiempo que se ha librado la primera batalla.
Dentro del chip, esa batalla se hizo visible. Los macrófagos invadieron las bacterias y formaron densos grupos. Dentro de esos grupos, se desarrollaron núcleos necróticos: zonas de células inmunes muertas rodeadas de células vivas, un sello distintivo de la patología temprana de la tuberculosis. En cinco días, tanto la barrera epitelial que protegía los sacos aéreos como el revestimiento endotelial de los vasos sanguíneos colapsaron por completo. Las bacterias no se multiplicaron explosivamente, pero la propia respuesta inmune destruyó la arquitectura del pulmón.
Luego, los investigadores diseñaron una versión del chip con un defecto genético deliberado. Quitaron ATG14, un gen implicado en la autofagia, un proceso de limpieza celular. Cuando infectaron este chip modificado con tuberculosis, las células inmunes murieron más rápido a pesar de que el número de bacterias se mantuvo igual. El revestimiento de los vasos sanguíneos sufrió peores daños. Resulta que el gen no mata directamente a las bacterias: mantiene vivas nuestras propias células durante la lucha.
“Compuestos por células genéticamente idénticas, los chips podrían construirse a partir de células madre de personas con mutaciones genéticas particulares. Esto nos permitiría comprender cómo las infecciones como la tuberculosis afectarán a un individuo y probar la eficacia de tratamientos como los antibióticos”, explica Maximiliano G. Gutiérrez, líder principal del grupo en el Crick.
Por qué es importante una única fuente genética
El uso de células de un donante transforma lo que estos chips pueden revelar. Los médicos podrían potencialmente tomar las células madre de un paciente, hacer crecer su pulmón en un chip y evaluar qué antibióticos funcionan mejor para la composición genética de esa persona antes de recetar nada. Para enfermedades como la tuberculosis, que tardan meses en mostrar resultados en los pacientes, ese tipo de precisión podría salvar vidas.
El propio movimiento respiratorio resultó crucial. Sin el estiramiento rítmico, las células no desarrollan microvellosidades ni forman barreras adecuadas. No es suficiente hacer crecer células pulmonares en un plato: necesitan las fuerzas físicas que experimentarían dentro de una cavidad torácica para comportarse correctamente.
El equipo no se detiene con la tuberculosis. Están adaptando el sistema para estudiar la influenza, el COVID-19 y el cáncer de pulmón. Al agregar más tipos de células a la mezcla, esperan construir pulmones en miniatura aún más completos que podrían reemplazar las pruebas con animales en el desarrollo inicial de fármacos. A medida que las tecnologías no animales se vuelven más esenciales en la investigación, estos chips ofrecen una manera de estudiar la biología pulmonar humana directamente en lugar de extrapolarla a partir de ratones u otros animales con diferentes sistemas inmunológicos y estructuras pulmonares.
El avance es tanto mecánico como biológico: un chip que respira, construido a partir del modelo genético de una sola persona, que revela procesos patológicos que han permanecido invisibles desde que estudiamos las infecciones respiratorias.
Avances científicos: 10.1126/sciadv.aea9874
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