La barrera hematoencefálica en un chip para estudiar fármacos contra el alzhéimer

Iberoamérica. 

La barrera hematoencefálica tiene una importante función biológica ya que protege el cerebro de posibles tóxicos en la sangre, suministra los nutrientes a los tejidos cerebrales y filtra los compuestos nocivos del cerebro de vuelta al torrente sanguíneo. Además de todas estas funciones, también es una frontera fisiológica que impide que la gran mayoría de fármacos lleguen al cerebro, lo que la convierte en un obstáculo para el desarrollo de fármacos efectivos contra enfermedades neurodegenerativas.

La mayoría de los métodos tradicionales de cultivo celular utilizados para estudiar el comportamiento de los fármacos no reproducen adecuadamente la fisiología de los pacientes. Por otro lado, los modelos animales muy a menudo no generan resultados comparables a la respuesta en humanos, aparte de los problemas éticos que se encuentran intrínsecamente asociados a la experimentación animal.

En este contexto, las llamadas plataformas de órgano-en-un-chip (OoC, por sus siglas en inglés) se presentan como una excelente alternativa a los métodos de estudio tradicionales, ya que permiten simular el funcionamiento de órganos humanos específicos a escala microscópica. Estos sistemas ayudan a investigar fármacos y enfermedades de manera más rápida, barata y sin usar animales.

Ahora, investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) describen, en el Journal of Nanobiotechnology, el desarrollo de un órgano-en-un-chip que funciona como modelo de la barrera hematoencefálica humana. El sistema permite estudiar el funcionamiento de esta barrera ante los fármacos y hacer un cribado de los más efectivos, evitando los ensayos con animales.

El sistema es altamente versátil y abre la puerta al estudio de procesos patológicos en el chip. Según una de las autoras, Anna Lagunas, “el dispositivo se podría adaptar también a diferentes tipos de estudios que involucran la patología del cerebro humano, como es el caso de muchas enfermedades neurodegenerativas, en las que la integridad de la barrera hematoencefálica se encuentra a menudo comprometida. Además, si en el chip se incorporasen, por ejemplo, células derivadas de paciente, éste permitiría un estudio personalizado de la enfermedad”.

Por su parte, la coautora Mònica Mir, también investigadora del IBEC y profesora de la Universidad de Barcelona (UB), destaca: “Las características físicas del dispositivo lo hacen portable, fácil de emplear y podría someterse a la producción en masa y a la automatización tanto de las lecturas ópticas como eléctricas para una futura implementación industrial”.

Con el fin de validar el funcionamiento del chip, se ha usado un sistema nanométrico para la liberación de fármacos desarrollado previamente por el grupo de Marcelo J. Kogan en la Universidad de Chile, coautor del artículo.

Se trata de unas nanopartículas de oro que, en primer lugar, facilitan la permeación del fármaco a través de la barrera hematoencefálica, y después se unen a las llamadas fibras de beta amiloide, unas moléculas que se forman en la enfermedad de Alzheimer, desagregándolas.

¿Cómo funciona este órgano-en-un-chip?

El dispositivo está fabricado en un sistema microfluídico, que permite manipular y controlar fluidos en una escala muy pequeña y analizar muestras de pequeños volúmenes.

Incluye un cultivo tridimensional de diferentes tipos de células de origen humano que forman una estructura de barrera endotelial, que tiene la función de separar la sangre de los tejidos adyacentes. Esta estructura imita la barrera hematoencefálica humana y presenta mejores valores de permeabilidad que los modelos estándar actuales.

El modelo incorpora también un sistema de microelectrodos que permiten monitorizar la integridad y permeabilidad de la barrera endotelial antes y después de la administración de fármacos.

Sujey Palma, estudiante de doctorado en el IBEC y primera autora del estudio, concluye: “Sin duda es una plataforma con mucho potencial para poder evaluar de manera adecuada la permeabilidad de nuevos candidatos terapéuticos prometedores como los nanosistemas. También, un dispositivo así nos podría permitir estudiar cómo estos nuevos sistemas pueden afectar morfológica y fisiológicamente a la barrera postadministración”.

Referencia:

Sujey Palma-Florez et al. «BBB-on-a-chip with integrated micro-TEER for permeability evaluation of multi-functionalized gold nanorods against Alzheimer’s disease». Journal of Nanobiotechnology, 2023.

El trabajo se ha liderado desde el grupo de Nanobioingeniería del IBEC, dirigido por Josep Samitier, y las autoras del centro pertenecen al Centro de Investigación Biomédica en Red (CIBER-BBN). El estudio también ha contado con la participación de la Universidad de Barcelona y el Centro Avanzado de Enfermedades Crónicas de Chile.