En la Universidad del Sur de California (USC) han logrado reproducir los pormenores de un ataque al corazón en un chip. Este innovador dispositivo servirá como banco de pruebas para desarrollar nuevos medicamentos personalizados para el corazón.
La profesora Megan McCain es la coordinadora de un estudio experimental que publica Science Advances, en el que se explica cómo diseñaron un sistema microfisiológico para exponer de forma controlada el tejido cardíaco, “diseñado a un gradiente de oxígeno que imita la zona fronteriza” y midieron sus efectos en la función electromecánica y en el transcriptoma.
Como destaca la profesora McCain, “nuestro dispositivo replica algunas características clave de un ataque cardíaco en un sistema relativamente simple y fácil de usar. Esto nos permite comprender cómo cambia el corazón después de un infarto. A partir de ahí, podemos desarrollar y probar medicamentos que serán más efectivos para limitar la degradación adicional del tejido cardíaco, que puede ocurrir después de un ataque al corazón”.
McCain, experta en ingeniería biomédica y biología de células madre y medicina regenerativa, desarrolló el dispositivo con la ayuda de un equipo integrado por Megan Rexius-Sala y Natalie Khalil, de la USC; Sean Escopete y Sarah Parker, del Instituto del Corazón Smidt en el Centro Médico Cedars-Sinai; y Xin Li, Jiayi Hu y Hongyan Yuan, del Departamento de Mecánica e Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur de China. El Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre y la Asociación Americana del Corazón (AHA) apoyaron esta investigación.
Dispositivo de microfluídos
Un chip se construye literalmente desde cero. En la base, hay un dispositivo de microfluídos de 22 milímetros por 22 milímetros, fabricado con un polímero similar al caucho denominado PDMS, con dos canales en lados opuestos a través de los cuales fluyen los gases.
Encima, hay una capa muy delgada del mismo material de caucho, que es permeable al oxígeno. Luego se modela una microcapa de proteína en la parte superior del chip, “para que las células del corazón se alineen y formen la misma arquitectura que tenemos en nuestros corazones”, matiza McCain. Finalmente, las células de corazón de roedor se cultivan encima de la proteína.
Para imitar un ataque al corazón, se libera gas con oxígeno y gas sin oxígeno a través de cada canal del dispositivo de microfluidos, «exponiendo nuestro corazón en un chip a un gradiente de oxígeno, similar a lo que realmente sucede en un infarto«, dijo McCain.
Como quiera que el dispositivo de microfluídos es pequeño, claro y fácil de ver en un microscopio, también permite a los investigadores observar en tiempo real los cambios funcionales que, a veces, ocurren en el corazón después de un ataque, incluida una arritmia o un latido cardíaco irregular y disminución de la fuerza de contracción del corazón. En el futuro, los investigadores pueden hacer que el modelo sea más complejo agregando células inmunes o fibroblastos, las células que generan la cicatriz después de un ataque al corazón.
Por el contrario, los científicos no pueden observar los cambios en el tejido cardíaco en tiempo real con modelos animales. Además, los modelos de cultivo celular tradicionales exponen uniformemente las células del corazón a niveles altos, medios o bajos de oxígeno, pero no a un gradiente.
Ataque al corazón
Esto significa que no pueden imitar lo que realmente sucede con las células cardíacas dañadas, en la llamada zona fronteriza después de un ataque cardíaco. Para McCain, “es muy emocionante y gratificante imaginar que nuestro dispositivo tendrá un impacto positivo en la vida de los pacientes en un futuro cercano, especialmente para los ataques cardíacos, que son extremadamente frecuentes”.
Los ataques cardíacos ocurren cuando la grasa, el colesterol y otras sustancias en las arterias coronarias reducen severamente el flujo de sangre rica en oxígeno a una parte del corazón.
Incluso si un paciente sobrevive a un ataque al corazón, con el tiempo puede estar cada vez más fatigado, debilitado y enfermo; algunos incluso mueren debido a una insuficiencia cardíaca. Eso es porque las células del corazón no se regeneran como otras células musculares. En cambio, aparecen células inmunitarias en el sitio de la lesión, algunas de las cuales pueden ser dañinas. Además, se desarrollan cicatrices que debilitan el corazón y la cantidad de sangre que puede bombear.
Sin embargo, los científicos no entienden completamente este proceso, especialmente cómo las células del corazón en las partes sanas y lesionadas del corazón se comunican entre sí y cómo y por qué cambian después de un infarto.
Entre 2005 y 2014, un promedio anual de 805.000 estadounidenses sufrieron ataques cardíacos. La enfermedad coronaria es la principal causa de muerte en los Estados Unidos. En 2018, 360.900 estadounidenses sucumbieron a ella, lo que hace que las enfermedades cardíacas sean responsables del 12,6% de todas las muertes en ese país.
