El laboratorio de Huh ha ensamblado un ojo en chip (eye-on-a-chip) con un párpado de gelatina motorizado. El parpadeo esparce las lágrimas sobre la superficie corneal, un aspecto crítico para que los investigadores puedan replicar el modelo de la enfermedad del ojo seco. Las células de la córnea crecen en el andamio del círculo interno (teñido de amarillo) y las células de la conjuntiva crecen en el círculo rojo circundante. Las lágrimas artificiales son suministradas por un conducto lagrimal (teñido de azul). Crédito: Universidad de Pensilvania
Parpadeo del ojo en un chip ayuda a probar medicamentos
06 de agosto de 2019 | Historia original de la Universidad de Pensilvania
Las personas que pasan ocho o más horas al día frente a la pantalla de una computadora pueden notar que sus ojos se cansan o se secan, y, si esas condiciones son lo suficientemente graves, eventualmente pueden desarrollar enfermedad del ojo seco (EOS). La EOS es una enfermedad común con sorprendentemente pocas opciones de medicamentos aprobados por la FDA, en parte debido a las dificultades de modelar esta fisiopatología compleja en los ojos humanos. El parpadeo del ojo-en-un-chip: una réplica de ojo humano artificial construido en el laboratorio de los investigadores de la Penn Engineering School.
Este eye-on-a-chip, completado con un párpado artificial, está ayudando a los científicos y desarrolladores de medicamentos a mejorar su comprensión y tratamiento de la EOS, entre otros usos potenciales. La investigación, publicada en Nature Medicine, describe la precisión del ojo en un chip como un soporte de órganos y demuestra su utilidad como plataforma de pruebas de drogas.
El estudio fue dirigido por Dan Huh, profesor asociado en el Departamento de Bioingeniería y por el estudiante de posgrado Jeongyun Seo. Colaboraron Vivian Lee, Vatinee Bunya y Mina Massaro-Giordano del Departamento de Oftalmología de la Escuela Perelman de Medicina de la Penn, así como Vivek Shenoy, Profesor Distinguido del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería de la UP. Otros colaboradores fueron Woo Byun, Andrei Georgescu y Yoon-suk Yi, miembros del laboratorio de Huh, y Farid Alisafaei, un miembro del laboratorio de Shenoy.
El laboratorio de Huh se especializa en la creación de órganos en un chip que proporcionan plataformas in vitro micro diseñadas para imitar a sus contrapartes in vivo, incluyendo substitutos de pulmón y médula ósea, que este mes de mayo fueron lanzados al espacio para estudiar enfermedades que pueden afectar a los astronautas. El laboratorio ha pasado años afinando el diseño de su ojo en un chip, lo que les valió el Premio Lush 2018 por su promesa en pruebas de drogas, productos químicos y cosméticos sin animales.
En este estudio, Huh y Seo se centraron en la ingeniería de un modelo de ojos que pudiera imitar un ojo sano y un ojo con EOS, permitiéndoles probar un fármaco experimental sin riesgo de daño humano.
Para construir su ojo en un chip, el equipo de Huh desarrolló un andamio poroso diseñado con impresión 3D, aproximadamente del tamaño de un centavo y la forma de una lente de contacto, en la que crecen células oculares humanas. Las células de la córnea crecen en el círculo interno de andamios, amarillo teñido y las células de la conjuntiva, el tejido especializado que cubre la parte blanca de los ojos humanos, crecen en el círculo rojo circundante. Una lámina de gelatina actúa como el párpado, deslizándose mecánicamente sobre el ojo al mismo ritmo que el parpadeo humano. Alimentado por un conducto lagrimal, teñido de color azul, el párpado esparce secreciones lagrimales artificiales sobre el ojo para formar lo que se llama la película lagrimal.
“Desde el punto de vista de la ingeniería, nos pareció interesante pensar en la posibilidad de imitar el entorno dinámico de un ojo humano parpadeante. El parpadeo sirve para esparcir lágrimas y generar una película delgada que mantiene la superficie ocular hidratada. También ayuda a formar una superficie refractiva lisa para la transmisión de la luz. Esta fue una característica clave de la superficie ocular que queríamos recapitular en nuestro dispositivo”, explicó Huh.
En las personas con EOS, esa película lagrimal se evapora más rápido de lo que se repone, lo que resulta en inflamación e irritación. Una causa común de EOS es la reducción del parpadeo que se produce por el excesivo uso de computadoras, pero las personas también pueden desarrollar la enfermedad por otras razones. La EOS afecta a alrededor del 14% de la población mundial, pero ha sido notablemente difícil de desarrollar nuevos tratamientos, con 200 ensayos clínicos de fármacos fallidos desde 2010 y sólo dos medicamentos actualmente disponibles aprobados por la FDA para su tratamiento.
El laboratorio de Huh ha estado considerando el potencial de pruebas de drogas de los órganos en un chip desde su conceptualización inicial, y, debido a su área de impacto a nivel de superficie, la EOS parecía la patología perfecta para comenzar a poner a prueba su modelo ocular. Sin embargo, antes de comenzar el ensayo con fármacos, el equipo debió asegurarse de que su modelo realmente podía imitar las condiciones de EOS.
“Inicialmente, pensamos que modelar la EOS sería tan simple como mantener el ambiente de cultivo seco. Pero resulta que es una enfermedad multifactorial increíblemente compleja con una variedad de subtipos”, explica Huh. “Sin embargo, independientemente del tipo, hay dos mecanismos básicos que subyacen al desarrollo y progresión de la EOS. En primer lugar, a medida que el agua se evapora de la película lagrimal, la concentración de sal aumenta dramáticamente, lo que resulta en hiperosmolaridad de las lágrimas. En segundo lugar, con una mayor evaporación se produce la ruptura de la película lagrimal, ya que ésta se vuelve más delgada y a menudo se rompe prematuramente, lo que se conoce como inestabilidad de la película lagrimal. La pregunta era: ¿Es nuestro modelo capaz de modelar estos mecanismos centrales del ojo seco?”
La respuesta, después de mucha experimentación, fue afirmativa. El equipo evocó las condiciones de la EOS en su ojo en un chip, disminuyendo a la mitad el parpadeo artificial de su dispositivo y creando cuidadosamente un entorno cerrado que simulaba la humedad de las condiciones de la vida real. Cuando se ponen a prueba contra los ojos humanos reales, tanto sanos como con EOS, los modelos de eye-on-a-chip correspondientes, demostraron una gran similitud con el órgano real en múltiples parámetros clínicos. Los ojos en un chip imitaban el rendimiento real de los ojos en una tira de Schirmer, que prueba la producción de líquidos; en una prueba de osmolaridad, que examina el contenido de sal de película lagrimal; y en una prueba de queratografía, que evalúa el tiempo que tarda una película lagrimal en romperse.
Después de haber confirmado la capacidad de su ojo en un chip para reflejar el rendimiento de un ojo humano en entornos normales e inducidores de la EOS, el equipo de Huh recurrió a la industria farmacéutica para encontrar un medicamento para tratar la EOS para testear su modelo. Seleccionaron un medicamento experimental basado en la lubricina, una proteína que se encuentra principalmente en el líquido lubricante que protege las articulaciones.
“Cuando la gente piensa en la EOS, normalmente lo tratan como una enfermedad crónica debida a la inflamación”, dijo Huh, “pero ahora hay cada vez más evidencias que sugieren que las fuerzas mecánicas son importantes para entender su fisiopatología. A medida que la película lagrimal se vuelve más delgada e inestable, la fricción entre los párpados y la superficie ocular aumenta y esto puede dañar la superficie epitelial y también desencadenar respuestas biológicas adversas como la inflamación. Sobre la base de estas observaciones, existe un interés emergente en el desarrollo de lubricantes oftálmicos como tratamiento tópico para el ojo seco. En nuestro estudio, utilizamos un medicamento basado en lubricina que actualmente está en proceso de ensayos clínicos.
Cuando probamos este medicamento en nuestro dispositivo, pudimos demostrar sus efectos de reducción de fricción, pero, lo que es más importante, utilizando este modelo descubrimos su capacidad previamente desconocida para suprimir la inflamación de la superficie ocular.”
Al comparar los resultados de las pruebas de sus modelos de ojo sano, de ojo con EOS y de ojo con EOS + lubricina, Huh y Seo fueron capaces de comprender cómo funciona la lubricina, mostrando la promesa de la droga en el tratamiento de la EOS.
Del mismo modo, el proceso de generación del parpadeo del ojo en un chip mejoró la comprensión del funcionamiento ocular, proporcionando información sobre el papel de la mecánica en la biología. Colaborando con Shenoy, director del Center for Engineering MechanoBiology, la atención del equipo se centró en cómo la acción física del parpadeo afecta a las células cultivadas para diseñar un ojo artificial en la parte superior del andamio.
“Inicialmente, las células corneales forman monocapas, pero posteriormente se estratifican y forman múltiples capas como resultado de la diferenciación, lo que ocurre cuando estas células se cultivan en la interfaz aire-líquido. También forman entrecruzamientos celulares apretados y expresan un conjunto de marcadores durante la diferenciación”, dijo Huh. “Curiosamente, descubrimos que las fuerzas mecánicas debidas al parpadeo realmente ayudan a las células a diferenciarse más rápidamente y de manera más eficiente. Cuando las células corneales se cultivaban en contacto con el aire en presencia de parpadeo, la tasa y el alcance de diferenciación aumentan significativamente en comparación con los modelos estáticos, sin parpadeo. Basándonos en este resultado, especulamos que las fuerzas fisiológicas inducidas por el parpadeo pueden contribuir a la diferenciación y el mantenimiento de la córnea”.
En otras palabras, las células corneales humanas crecidas en el andamio sufren su especialización más rápidamente y son más eficientes cuando el párpado artificial se desplaza sobre ellas, lo que sugiere que las fuerzas mecánicas del parpadeo contribuyen a significativamente a su funcionamiento. Estos avances conceptuales, junto con las aplicaciones de descubrimiento de fármacos, destacan el valor multifacético que proveen los órganos de ingeniería en un chip contribuyendo con los avances científicos.
El ojo en un chip de Huh y Seo todavía está en una etapa inicial en el campo de las pruebas de drogas, pero este primer paso, es una victoria que representa años de trabajo refinando el diseño de su ojo artificial para alcanzar este nivel de precisión y utilidad.
"Aunque acabamos de demostrar la prueba de concepto", dice Seo, “espero que nuestra plataforma eye-on-a-chip esté más avanzada y se utilice en el futuro para una variedad de aplicaciones, además de la detección de drogas, como pruebas de lentes de contacto y cirugías oculares”.
“Estamos particularmente orgullosos del hecho de que nuestro trabajo ofrece un gran y raro ejemplo de esfuerzos interdisciplinarios que abarcan un amplio espectro de actividades de investigación, desde el diseño y la fabricación de nuevos sistemas de bioingeniería hasta el modelado in vitro de complejos pruebas de drogas”, dijo Huh. “Creo que esto es lo que hace que nuestro estudio sea único y representativo de la innovación que puede ser llevada a cabo por la tecnología de órgano en un chip”.
Este artículo ha sido republicado a partir de los siguientes materiales y editado para adecuar su longitud y contenido. Para obtener más información, ver la fuente citada.
Referencia: Jeongyun Seo, et al. (2019) Multiscale reverse engineering of the human ocular surface. Nature Medicine DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-019-0531-2
