La tuberculosis ha plagado a la humanidad durante miles de años y, a pesar de los avances médicos que ahora pueden ayudarnos a prevenirla y curarla, esta antigua enfermedad bacteriana todavía cobra más vidas humanas por año que cualquier otro patógeno infeccioso.
En un nuevo estudio, los investigadores revelan un dispositivo destinado a desmitificar las primeras etapas de la tuberculosis, incluido un retraso peculiar que a menudo precede a la aparición de los síntomas.
Su modelo también podría revelar cómo las variaciones genéticas en los pacientes conducen a efectos variables de la tuberculosis, con implicaciones potencialmente amplias para la medicina personalizada.
Aproximadamente una cuarta parte de nuestra especie está infectada con la bacteria de la tuberculosis, y aunque sólo una fracción de esas personas enfermará, eso todavía equivale a más de 10 millones de nuevos casos –y más de 1 millón de muertes– por año en todo el mundo.
La tuberculosis progresa lentamente y los síntomas suelen tardar meses en aparecer. Para aprender más sobre este retraso, los autores se centraron en pequeños sacos de aire en los pulmones, los alvéolos pulmonares, que albergan enfrentamientos fundamentales entre las células inmunes y las bacterias.
“Los sacos de aire en los pulmones son una primera barrera crítica contra las infecciones en humanos, pero tradicionalmente los hemos observado en animales como ratones”, dice el coautor Max Gutiérrez, quien dirige el Laboratorio de Interacciones Huésped-Patógeno en Tuberculosis en el Instituto Francis Crick.
“Estos estudios son fundamentales para nuestra comprensión, pero los animales y los humanos tienen diferencias en la composición de las células inmunes y la progresión de la enfermedad, lo que despierta el interés en tecnologías alternativas”, dice Gutiérrez.
La tecnología emergente de “órgano en un chip”, por ejemplo, permite a los científicos simular un órgano humano completo dentro de un microchip de cultivo celular de microfluidos, ofreciendo una alternativa a los modelos animales.
Ya existen algunos sistemas de “pulmón en un chip”, pero las limitaciones de esos modelos inspiraron a Gutiérrez y sus colegas a probar un enfoque diferente.
“Hasta ahora, los dispositivos de pulmón en chip se han fabricado a partir de una mezcla de células derivadas de pacientes y disponibles comercialmente”, dice Gutiérrez. “Esto significa que no pueden recrear completamente la función pulmonar o la progresión de la enfermedad de un solo individuo, ya que cada tipo de célula es genéticamente diferente”.
En cambio, los investigadores desarrollaron un nuevo pulmón en un chip para su estudio, que presenta sólo células genéticamente idénticas derivadas de una única célula madre humana.
“Utilizamos células madre pluripotentes inducidas por humanos, que prácticamente pueden convertirse en cualquier célula del cuerpo, para producir células epiteliales alveolares tipo I y II”, dice el primer autor Jakson Luk, becario postdoctoral en el laboratorio de Gutiérrez.
“Estos se cultivan en la parte superior de la membrana”, añade. “Utilizando las mismas células madre, también produjimos células endoteliales vasculares que crecen en la parte inferior de la membrana”.
Esto ofreció una mirada novedosa al período de “caja negra” de la tuberculosis, o el tiempo entre la infección inicial de una persona y la aparición de los síntomas.
“Queríamos buscar características distintivas de la enfermedad que se han informado en pacientes en estudios clínicos y en animales”, dice Luk.
Cuando los investigadores agregaron células inmunes llamadas macrófagos al chip antes de introducir la tuberculosis, pronto notaron grupos de macrófagos con “núcleos necróticos”, un grupo central de macrófagos muertos ubicados en un grupo más grande de macrófagos vivos.
“Finalmente, cinco días después de la infección, las barreras de las células endoteliales y epiteliales colapsaron, lo que demuestra que la función de los sacos aéreos se había deteriorado”, dice Luk.
Sin embargo, no todos los pulmones reaccionan de la misma manera a la tuberculosis, por lo que los investigadores también intentaron aprender cómo las diferencias genéticas pueden conducir a diferentes respuestas.
“Eliminamos el gen ATG14, que participa en un proceso natural para degradar células dañadas y materiales extraños”, dice Luk.
“Los macrófagos que carecían de este gen eran más susceptibles a la muerte celular en condiciones de reposo e intentaron fagocitar más bacterias de la tuberculosis cuando estaban infectados, lo que confirma el papel del gen en mantener intactas nuestras defensas inmunes”, explica.
Se necesitará más investigación, pero Luk y sus colegas ven su chip como un paso clave hacia un tratamiento más personalizado de la tuberculosis y también de otras infecciones.
“Ahora podríamos construir chips a partir de personas con mutaciones genéticas particulares para comprender cómo les afectarán infecciones como la tuberculosis y probar la eficacia de tratamientos como los antibióticos”, dice Luk.
“El chip apoya el gran impulso hacia la medicina personalizada”, añade Gutiérrez. “Podría ayudarnos a comprender el impacto de la genética sobre si un tratamiento es eficaz o no”.
El estudio fue publicado en Avances científicos.