Construyendo pulmones en el laboratorio

Un equipo de científicos de la universidades de Yale y Durham (EE UU) ha desarmado un pulmón de rata y lo ha reconstruido con nuevas células para crear un pulmón funcional. Además, otro equipo de la Escuela Médica de Harvard, la Universidad de Harvard, y el Hospital Infantil Ingber de Boston ha creado un minipulmón del tamaño de una moneda con el que probar la toxicidad de los productos químicos.

“El nuevo pulmón intercambió oxígeno y dióxido de carbono tras haber sido trasplantado en una rata viva por un corto periodo (una

En la imagen, el microdispositivo para pruebas de drogas y toxinas que recapitula las funciones y movimientos respiratorios del pulmón humano. Los tintes fluorescentes son canales lineales de microingeniería, que llevan el aire a las células del pulmón saco de aire, medio de cultivo a las células de sangre capilar, y el vacío para conducir los movimientos respiratorios. Imagen: Kristin Johnson et al.

y dos horas), así que los resultados nos sugieren que este método podría ser utilizado para generar tejido de pulmón funcional”, señala Thomas Petersen, autor principal del trabajo e investigador en la Universidad de Yale.

Los científicos, de las universidades de Yale y de Durham (EE UU), extirparon pulmones de ratas y removieron delicadamente las células epiteliales esponjosas y los vasos sanguíneos con detergente. El resultado fue una especie de andamio del tejido conectivo que retuvo la elasticidad y otras propiedades mecánicas del pulmón original. Después, el equipo de Petersen “marinó” el andamio en una mezcla de células epiteliales y endoteliales de pulmón.

A los pocos días, el tejido de pulmón manipulado contenía alveolos, micro-vasos sanguíneos y pequeñas vías respiratorias que se habían repoblado con los tipos de células apropiados. Cuando el pulmón fue trasplantado a las ratas, éste intercambió oxígeno y dióxido de carbono como hacen los pulmones normales.

Las personas donantes de pulmón escasean en comparación con el número de gente que los necesita, y el tejido de pulmón no se regenera en el cuerpo. De ahí la importancia de este tipo investigaciones y de comunicarlas sin generar expectativas a corto plazo. “Lo que hemos hecho supone un paso esperanzador, aunque es preliminar”, insisten en recalcar los investigadores.

Para que este método sea útil en la clínica y en seres humanos, las células utilizadas para reconstruir ese “andamio celular” tendrían que ser tomadas del paciente que recibe el trasplante de tejido (para evitar una reacción inmunológica), muy probablemente en forma de células madre de pulmón o células madre pluripotentes inducidas. Sin embargo, dichas células no están disponibles todavía.

De ser efectivos los resultados científicos que se han presentado hoy en la revista Science, la mayoría de pulmones que se donan y que no se pueden trasplantar por algún daño podrían ser repararos, además de poder crear nuevos órganos.

Otro equipo presenta un mini-pulmón

En una segunda investigación que hoy publica Science, científicos de la Escuela Médica de Harvard, de la Universidad de Harvard y del Hospital Infantil Ingber de Boston (EE UU) han creado un chip del tamaño de una moneda, que imita varias características de las células epiteliales y de los vasos sanguíneos que están entretejidos en los pulmones humanos.

El artefacto es una membrana porosa de silicona flexible que tiene una fina lámina de tejido con células epiteliales en un lado y células endoteliales humanas en el otro. Este sistema deberá ayudar a entender las maneras en que los tejidos de pulmón cambian y operan en escalas muy pequeñas, una información que es difícil de obtener a partir de cultivo de células o de estudios con animales. Los investigadores dicen que este dispositivo podría ser una alternativa útil a los estudios animales o clínicos para análisis de fármacos e investigación toxicológica.

Los microcanales creados permitieron que aire o líquido fluyera alrededor de la membrana. “Vaciar el dispositivo provocaría que la membrana se estirara de la manera en que el tejido de un pulmón vivo lo hace”, describen los autores, que han sido capaces de recapitular procesos que se llevan a cabo en los pulmones verdaderos, como las respuestas inflamatorias a patógenos y la respuesta a móleculas señalizadoras llamadas citocinas.

Los autores de este trabajo de microingeniería remarcan el impacto de su trabajo: “todavía hay diferencias entre el minipulmón artificial y el funcionamiento de los alveolos en vivo (espesor de la barrera, composición celular, falta de los macrófagos alveolares, y los cambios en el aire en la presión y en el caudal), y las células modificadas de pulmón usadas podrían no reproducir totalmente las respuestas de las células epiteliales de los alveolos humanos”.

Si bien el nuevo artefacto todavia no es capaz de realizar el proceso completo de respiración, simula la entrada de aire en los pulmones. “Nuestros datos demuestran que este microsistema biomimético puede reconstituir múltiples funciones fisiológicas observadas en el conjunto la respiración pulmonar”, confirman los expertos, que además ya ha verificado la toxicidad de las nanopartículas de silicio usadas en pinturas anticorrosivas. “La tensión mecánica (como la inducida al respirar), incrementó el consumo de nanopartículas por parte de las células de la membrana y estimula su transportación hacia el canal microvascular subyacente”, señalan.

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El increíble pulmón humano

Los pulmones humanos están situados dentro del tórax, protegidos por las costillas y a ambos lados del corazón. Son huecos y están cubiertos por una doble membrana lubricada (serosa) llamada ‘pleura’. Están separados el uno del otro por el mediastino.

La superficie de los pulmones es de color rosado en los niños y con zonas oscuras distribuidas irregularmente pero con cierta uniformidad en las personas adultas. La aparición de estas zonas oscuras se llama ‘antracosis’ y aparece con carácter patológico en la mayoría de la gente que vive en ciudades, como resultado de la inhalación de polvo flotante en la atmósfera que se respira, sobre todo carbón.

Desde una perspectiva de ingeniería, el pulmón humano es un modelo de diseño muy interesante, una estructura elástica dinámica que logra una eficiente transferencia de oxígeno y dióxido de carbono. Cada pulmón de una persona adulta tiene un área de superficie de unos 70 m2. El pulmón derecho pesa de media 600 gramos y el izquierdo,500.

Dentro del pulmón, se encuentran los alveolos, pequeños sacos recubiertos en su pared interna por líquido y agente tensoactivo. Los alveolos, divertículos terminales, forman el ‘árbol bronquial’ en los que tiene lugar el intercambio gaseoso entre el aire inspirado y la sangre. Este intercambio permite al organismo obtener oxígeno. Entre nuestros dos pulmones hay unos 500 millones de alveolos.

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Referencias bibliográficas:

T.H. Petersen; E.A. Calle; L. Zhao; E.J. Lee; L. Gui; M.B. Raredon; K. Gavrilov; T. Yi; Z.W. Zhuang; C. Breuer; E. Herzog; L.E.; “Tissue Engineered Lungs for In Vivo Implantation”, Science, vol. 328, 25 de junio de 2010.

D. Huh; M. Montoya-Zavala; D.E. Ingber; B.D. Matthews; A. Mammoto; H.Y. Hsin; D. Huh; B.D. Matthews; A. Mammoto; M. Montoya-Zavala; H.Y. Hsin; “Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip”, Science, vol. 328, 25 de junio de 2010.

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).