Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Nanoplataforma Presenta Clave Para Extraña Enfermedad de Pulmón

Monday, March 31, 2008

¿Qué tienen en común un campeón de natación, un ex ejecutivo de mercadotecnia, un profesor, y un niño de preescolar? Todos ellos tienen una extraña e incurable enfermedad de pulmón – hipertensión arterial pulmonar idiopática (IPAH por sus siglas en inglés). Debido a que algunos síntomas de la IPAH son similares a muchas condiciones del corazón y pulmón, como la dificultad de respirar, la fatiga y el dolor de pecho, los errores de diagnóstico son muy comunes. Para cuando los síntomas se vuelven intolerables, la enfermedad usualmente ya ha progresado a etapas avanzadas.

En la IPAH, la presión sanguínea de la arteria pulmonar (el vaso sanguíneo que va del corazón a los pulmones) se eleva por encima de los niveles normales. El grosor de la pared arterial aumenta en respuesta a este incremento de presión, ocasionando que el corazón trabaje más fuerte y eventualmente falle si no es atendido. Con los nuevos medicamentos y cambios en el estilo de vida, la calidad y la esperanza de vida han mejorado. Antes de 1990, la gente sobrevivía un promedio de 2.8 años después de su diagnóstico. Ese panorama se ha casi duplicado a 5 años, con algunos pacientes viviendo hoy en día hasta 10 o 20 años después de su diagnóstico. Para extender aún más esta supervivencia, los investigadores están buscando qué es lo que ocasiona este engrosamiento de la pared arterial pulmonar.

Los científicos especulan que las paredes de la arteria pulmonar aumentan en grosor debido a que las células musculares en la arteria son demasiado sensibles al estrés mecánico en personas con IPAH. Estas células se contraen o encogen – como los músculos esqueléticos - cuando sienten el estrés causado por la presión sanguínea, pero en lugar de mover huesos estos músculos contraen los vasos sanguíneos para controlar el flujo de sangre. Quizá los investigadores puedan usar una nueva herramienta desarrollada por un equipo de la Universidad de Pensilvania y de Johns Hopkins, para entender mejor la conexión entre las células estresadas y la IPAH.

 

Cuantificación de la Respuesta Celular

Los investigadores pueden medir y aplicar fuerzas a las células, utilizando un arreglo a nanoescala de micropostes, como con esta célula fibroblasto 3T3. La célula responde a fuerzas externas aplicadas a su atadura local (A2) haciendo cambios repentinos en la tensión citoesqueletal en el perímetro de la célula (A1, A3-A7).

Using a nanoscale array of microposts, researchers can measure and apply forces to cells, as with this 3T3 fibroblast cell. The cell responds to an external force applied to its local tether (A2) by making abrupt changes in cytoskeletal tension at the perimeter of the cell (A1, A3-A7).

Christopher Chen, Profesor Asociado Skirkanich de Innovación en Bioingeniería en la Universidad de Pensilvania; Daniel Reich, Profesor de Física en la Universidad de Johns Hopkins; y sus colegas, desarrollaron una plataforma basada en nanotecnología magnética para estudiar cómo las células generan fuerzas. Peter Lloyd Jones, Director del Centro de Hipertensión Arterial Pulmonar Idiopática para Estudios de Células en la Universidad de Pensilvania, pensó que esta nanoplataforma podría ofrecer información cuantitativa requerida acerca de la reacción de las células ante el estrés.

La nanoplataforma permite que los investigadores estudien cómo se contraen las células y comparar sus propiedades mecánicas. Jones dice que “Con este trabajo, podemos ahora cuantificar las respuestas de las células ante fuerzas aplicadas. Las propiedades mecánicas de las células son alteradas en individuos con IPAH y varían de paciente en paciente. Esta contractilidad alterada [encogimiento] podría ser el resultado de un error inherente en los genomas de estos pacientes o podría ser debido a un insulto externo como el daño ambiental”.

La nanoplataforma, la cual se ve como una pequeña cama de clavos, incorpora los nanohilos magnéticos en un subconjunto de “clavos” llamados micropostes. Las células bajo estudio se colocan encima de los micropostes. Chen describe lo que pasa después como “hacerle cosquillas a las células”. Un campo magnético aplicado a la nanoplataforma activa los nanohilos, los que a su vez aplican una fuerza a diferentes partes de la célula. El equipo descubrió que la reacción de una célula ante una fuerza externa ocurre en el perímetro de la célula en vez de en donde se aplicó la fuerza inicialmente. También descubrieron que aún pequeñas fuerzas aplicadas pueden conducir a cambios grandes en las fuerzas de la tracción celular generadas internamente – fuerza utilizadas para energizar la contracción celular.

Estas contracciones celulares literalmente “energizan” la habilidad de la célula para mover partes de su matriz adyacente, afectando así la movilidad local. El nivel de fuerza ejercida por una célula se puede medir por el desplazamiento de micropostes flexibles incluidos en el arreglo de la “cama de clavos” sobre el cual crece la célula [ver figura]. El nivel de flexión del tubo es directamente proporcional a la fuerza aplicada por la célula y se puede medir mediante diversas técnicas que pueden obtener una imagen de la superficie de la microplataforma.

La nanoplataforma podrá quizá también ofrecer en el futuro una manera de examinar compuestos de drogas para determinar si alteran el encogimiento de la célula. Las células de pacientes tratados con una droga específica para IPAH serán examinadas en la nanoplataforma, después de la terapia de drogas, para monitorear su respuesta. Jones dice que “El examen de drogas utiliza actualmente células que crecen planas en una superficie plástica a manera de banco de pruebas. Pero las células en el cuerpo no viven en plástico. Podemos reconsiderar las rutas que estaban ocultas debido a que los enfoques tradicionales no ofrecían una lectura cuantitativa”.

 

Construcción de un Andamio Más Fuerte

La comprensión de la interacción de las fuerzas internas y externas en las células podría ofrecer información importante acerca de la propagación de ciertos tipos de cáncer, del desarrollo de la hipertensión, y de cómo fraguar un tejido más fuerte fuera del cuerpo. Chen explica, “Estamos tratando de comprender las bases de cómo las fuerzas afectan las decisiones que hacen las células, tales como vascularizar [construir redes de vasos sanguíneos] o no vascularizar los tejidos”.

Para fraguar tejido, se dejan crecer las células en un andamio o plataforma que afecta la forma y la función de las células. El saber cómo reaccionan las células ante las fuerzas podría darnos pistas de cómo construir andamios más robustos de tejido. Algunos investigadores han señalado que variando la firmeza del andamio se puede afectar su habilidad de mantener diferentes funciones celulares. Chen menciona que la información recopilada con la nanoplataforma podría sugerir también nuevas rutas para fraguar tejidos y crear una serie de nuevas preguntas a considerar, tales como, “¿Necesitamos tomar en cuenta dichas fuerzas para controlar cómo se diferencian las células?”.

 

Versatilidad en el Futuro

Muchas enfermedades resultan de cambios en la manera como las células manejan las fuerzas mecánicas. La nanoplataforma de Chen y Reich da a los investigadores una nueva herramienta para descubrir el impacto que tienen efectos físicos sobre el proceso de la enfermedad. Jones dice que “Abre muchas posibilidades”. Una dificultad que ha plagado la biología celular es la falta de herramientas para cuantificar la actividad y la respuesta celular. Donald Ingber, Profesor Judah Folkman en Biología Vascular en el Hospital Infantil y la Escuela de Medicina en Harvard, explica que “El aspecto novedoso del trabajo de Chris es la habilidad de cuantificar la respuesta celular ante las fuerzas”.

Para hacer la nanoplataforma aún más poderosa, el equipo quiere explorar enfoques alternativos para la fabricación de dispositivos. Su meta es crear una plataforma que pueda ayudar a los investigadores a medir la respuesta célula/fuerza cuando las células están dentro de una estructura tridimensional. Ingber dice que “Hasta ahora sólo hemos observado células individuales, pero quisiéramos observar capas de células. Eso ayudaría sin duda a nuestros colegas”. Chen dice que “Si resulta que las fuerzas aplicadas causan cambios críticos en la células, y si podemos encontrar mecanismos para dichos cambios, entonces podremos amplificar, burlar, o interrumpir el efecto” para alterar el proceso de una enfermedad.

Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas (NIBIB) y por el Instituto Nacional del Corazón, Pulmón y Sangre (NHLBI).

 

Referencias

Sniadecki NJ, Anguelouch A, Yang MT, Lamb CM, Liu Z, Kirschner SB, Liu Y, Reich DH, Chen CS. Magnetic microposts as an approach to apply forces to living cells. Proc Natl Acad Sci. 2007 Sep 11;104(37):14553-8.

Doyle RL. Early diagnosis and treatment of pulmonary arterial hypertension. Medscape Pulm Med. 2005; 9(1).

Ingber D. Mechanobiology and diseases of mechanotransduction. Ann Med. 2003; 35:564-577.