Un equipo de investigadores del Instituto Francis Crick y la empresa biotecnológica AlveoliX desarrolló el primer modelo humano de “pulmón-en-un-chip” construido únicamente con células genéticamente idénticas obtenidas de una sola persona. El avance, publicado en la revista Science Advances, busca reproducir con mayor fidelidad cómo funciona el pulmón humano y cómo responde a infecciones respiratorias como la tuberculosis (TB).
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El dispositivo recrea los alvéolos, pequeños sacos de aire en los pulmones donde ocurre el intercambio de gases y que también actúan como una barrera clave frente a virus y bacterias inhaladas. Comprender lo que sucede en este punto crítico es esencial para estudiar enfermedades respiratorias, pero hacerlo en el laboratorio ha sido un reto constante.
Hasta ahora, los modelos de pulmón-en-un-chip combinaban células derivadas de pacientes con otras disponibles comercialmente. Esa mezcla, según explican los investigadores, limitaba la capacidad de reproducir de manera precisa la función pulmonar o la progresión de una enfermedad en un individuo específico. El nuevo modelo busca superar esa limitación al usar solo células con el mismo origen genético.
Un pulmón en miniatura que imita la respiración
Para construir el dispositivo, el equipo partió de células madre pluripotentes inducidas humanas, capaces de convertirse en casi cualquier tipo de célula del cuerpo. A partir de ellas, produjeron células epiteliales alveolares de tipo I y II, así como células endoteliales vasculares, todas provenientes del mismo donante. Estas células se cultivaron por separado a ambos lados de una membrana extremadamente delgada dentro de un chip diseñado por AlveoliX, con el objetivo de recrear la barrera de un alvéolo.
El modelo incorpora además un componente dinámico clave: el movimiento de la respiración. Para ello, AlveoliX desarrolló máquinas especializadas que aplican fuerzas rítmicas de estiramiento tridimensional sobre la barrera alveolar recreada. Este movimiento simula la expansión y contracción del pulmón al respirar y estimula la formación de microvellosidades, una característica fundamental de las células epiteliales alveolares que aumenta la superficie disponible para las funciones pulmonares.
Imagen del pulmón en chip, con los núcleos celulares en azul. Foto:Jakson Luk, Science Advances
Recrear la tuberculosis desde sus primeras etapas
Una vez establecido el sistema, los científicos añadieron células inmunes llamadas macrófagos, también derivadas de las células madre del mismo donante. Posteriormente, introdujeron bacterias de tuberculosis para simular las etapas iniciales de la infección.
En los chips infectados, el equipo observó grandes agrupaciones de macrófagos con “núcleos necróticos”, es decir, zonas centrales de macrófagos muertos rodeadas por células vivas. Con el paso de los días, el daño se hizo más evidente: cinco días después de la infección, las barreras endotelial y epitelial colapsaron, señal de que la función del saco de aire se había deteriorado.
Max Gutierrez, líder principal del Grupo de Interacciones Huésped-Patógeno en Tuberculosis del Crick y autor senior del estudio, explicó la relevancia del enfoque: “Dada la creciente necesidad de tecnologías que no utilicen animales, los enfoques de órganos-en-un-chip son cada vez más importantes para recrear sistemas humanos, evitando las diferencias en la anatomía pulmonar, la composición de las células inmunes y el desarrollo de la enfermedad entre animales y humanos”.
Gutierrez añadió que, al estar compuestos “enteramente por células genéticamente idénticas”, estos chips podrían construirse a partir de células madre de personas con mutaciones genéticas específicas. “Esto nos permitiría entender cómo infecciones como la TB impactan a un individuo y probar la eficacia de tratamientos como los antibióticos”, señaló.
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Por su parte, Jakson Luk, investigador posdoctoral y primer autor del estudio, destacó el valor del modelo para estudiar una enfermedad de evolución lenta. “La TB es una enfermedad de progreso lento, con meses entre la infección y el desarrollo de síntomas, por lo que existe una necesidad creciente de entender qué ocurre en las etapas tempranas que no se ven”, afirmó. Según Luk, el equipo logró “imitar con éxito estos eventos iniciales en la progresión de la TB”, ofreciendo una visión integral de cómo distintas células pulmonares responden a una infección.
Los investigadores consideran que el nuevo modelo podría aplicarse a una amplia gama de estudios, desde otras infecciones respiratorias hasta el cáncer de pulmón, y ya trabajan en refinar el chip incorporando otros tipos celulares relevantes.
REDACCIÓN SALUD
