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Innovativo chip que late como el corazón ayudaría a avanzar medicina y tratamientos

ANN ARBOR– Un chip que se carga con la gravedad y que puede imitar el latir del corazón humano fuera del cuerpo podría avanzar las pruebas farmacéuticas y abrir nuevas posibilidades en el cultivo celular, de acuerdo con los investigadores de Universidad de Michigan que lo desarrollaron.

El aparato, que puede imitar los ritmos físicos fundamentales  es una nueva adición a la categoría “laboratorio en un chip”, la clase de dispositivos de microfluidos que puede realizar funciones complejas de laboratorio en un espacio pequeño.

Sus primeros usos probablemente sean en el ensayo de nuevos fármacos cardiovasculares y anticoagulantes, donde el flujo de sangre es crítico para predecir el rendimiento, dijo Shuichi Takayama, profesor de ingeniería biomédica y de ciencia e ingeniería macromolecular en la U-M y uno de los creadores del dispositivo.

“Este chip nos da un puente entre la placa de y el paciente”, dijo Takayama. “Las células se comportan mucho más naturalmente cuando están sometidas a los ritmos pulsantes del interior del cuerpo, en lugar de sentarse en un entorno estático en el laboratorio. Por lo tanto, mediante la duplicación de los ritmos en un chip, podemos realizar pruebas mucho más precisas de laboratorio antes de comenzar a probar en pacientes”.

Los dispositivos anteriores han sido capaces de recrear el pulso de un latido del corazón fuera del cuerpo pero requieren el uso de una bomba de jeringa operada por un técnico de laboratorio, lo que hizo pruebas a largo plazo difícil. El nuevo dispositivo es mucho más simple de operar y no requiere vigilancia durante largos períodos de tiempo.

La presión de entrada constante también hace que sea posible ejecutar múltiples tasas y presiones de pulso en un solo chip. Este es un gran avance, ya que permite a los técnicos ejecutar múltiples pruebas a la vez, dijo Takayama.

“Los diferentes tipos de pacientes tienen diferentes tasas de pulso”, dijo. “Por ejemplo, el corazón de un paciente séptico puede latir más rápido o un vaso sanguíneo puede tener una velocidad de flujo diferente a otro. Estos factores influyen en cómo cierta terapia afectará a una célula. Ahora podemos replicar aquellos factores y muchos otros en un solo chip y ejecutar pruebas de forma simultánea.

Desarrollado en el Biointerfaces Institute y Centro de Investigación Integrativa en Cuidados Críticos de U-M, el chip utiliza una intrincada red de canales, condensadores e interruptores microscópicos impulsados por gravedad, para hacer que los líquidos fluyan a través de ellos en una variedad ilimitada de pulsos y caudales. Permite a los investigadores probar nuevas terapias en muestras de células humanas que han sido inyectadas en el dispositivo, en un entorno que se asemeja mucho a las condiciones internas del cuerpo.

Takayama dice que el chip también se puede utilizar para duplicar otros biorritmos en el cuerpo, como las señales dentro de la cerebro y la entrega de la hormonas.

“Por ejemplo, generalmente estudiamos la respuesta células del hígado a la insulina, dándoles una dosis grande de insulina una sola vez”, dijo. “Pero en el cuerpo, el hígado recibe insulina del páncreas en una serie de pequeños impulsos. Podríamos utilizar este chip para duplicar esos impulsos y crear un modelo mucho más preciso de lo que está sucediendo en el cuerpo.”

El chip funciona de manera muy parecida a un procesador electrónico en una computadora, pero utiliza fluido en lugar de electricidad. Sung-Jin Kim, un ex investigador en el laboratorio de Takayama, que ahora es profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Konkuk en Seúl, Corea del Sur, explica que el desarrollo de los interruptores y condensadores que utilizan el fluido es simple en principio, pero difícil de poner en práctica.

“Uno de nuestros mayores desafíos fue construir un circuito de microfluidos por gravedad que funcione de forma fiable”, dijo. “Porque a diferencia de la electrónica, los interruptores de microfluidos necesitan presión negativa para cerrar correctamente. Finalmente nos dimos cuenta de que podíamos controlar la presión del sistema mediante la colocación de la salida así a una distancia medida debajo del chip, creando la cantidad correcta de presión.”

El equipo utiliza el software CAD para diseñar cada chip con las especificaciones exactas. A continuación, utiliza una combinación de litografía blanda y fotolitografía para moldear el chip de goma de silicona, a un costo de sólo unos pocos centavos cada uno.

Sung-Jin Kim dijo que debido a que los chips se utilizan en el laboratorio y no en los seres humanos,  los investigadores pueden comenzar a utilizarlos de inmediato. El equipo no tiene planes inmediatos para la comercialización, pero pueden comenzar a compartir el diseño con los investigadores sobre una base no comercial en cuestión de meses.

Los hallazgos del equipo se detallan en un estudio publicado en la revista Nature Communications. El financiamiento fue proporcionado por National Institutes of Health  (concesión no. 096040), Institutional Program for Young Researcher Overseas Visits de Japón y National Research Foundation de Corea.