Mario Modena es un postdoctorado que trabaja en el Laboratorio de Bioingeniería en ETH Zurich. Si tuviera que explicar su investigación sobre la barrera hematoencefálica (el muro que protege nuestro sistema nervioso central de sustancias nocivas en el torrente sanguíneo) a un niño de 11 años, le diría : « Este muro es importante, porque evita que los malos entren en el cerebro ». Si el cerebro está dañado o enfermo, dice, pueden aparecer agujeros en la pared. A veces, estos agujeros pueden ser útiles, por ejemplo, para suministrar al cerebro medicamentos que se necesitan con urgencia. “Entonces, lo que estamos tratando de entender es cómo mantener este muro, romperlo y repararlo nuevamente”.

Esta pared también es importante desde una perspectiva médica, porque muchas enfermedades del sistema nervioso central están relacionadas con una lesión en la barrera hematoencefálica. Para descubrir cómo funciona esta barrera, los científicos suelen realizar experimentos con animales vivos. Además de que tales experimentos son relativamente costosos, las células animales pueden proporcionar solo una parte de la imagen de lo que sucede en el cuerpo humano. Además, hay algunos críticos que cuestionan la validez básica de las pruebas con animales. Una alternativa es basar los experimentos en células humanas que han sido cultivadas en el laboratorio.

La comunicación célula-célula se pasa por alto en gran medida

El problema con muchos modelos in vitro es que recrean la barrera hematoencefálica de una manera relativamente simplificada utilizando células de la pared de los vasos sanguíneos (células endoteliales). Este enfoque no logra representar la estructura compleja del sistema humano y no tiene en cuenta, por ejemplo, la comunicación entre los diversos tipos de células. Además, muchos de estos modelos son estáticos. En otras palabras, las células están flotando en una suspensión que no se mueve, lo que implica que no se considera el flujo de fluido o el esfuerzo cortante al que están expuestas las células en el cuerpo.

También hay modelos dinámicos in vitro que simulan las condiciones de flujo en el cuerpo, pero el problema aquí es que las bombas que requieren hacen que la configuración experimental sea bastante complicada. Junto con todos estos desafíos, existe el problema de la medición : es casi imposible tomar imágenes de alta resolución de los cambios estructurales en la barrera hematoencefálica en tiempo real y al mismo tiempo medir la resistencia eléctrica de la barrera, las cuales reflejan la compacidad de la barrera y opresión.

Matar varios pájaros de un tiro

Si cada uno de estos desafíos fuera un pájaro, la plataforma de Módena sería la piedra proverbial que los mata a todos. Trabajando con Andreas Hierlemann, Modena y sus colegas pasaron tres años y medio desarrollando el modelo de barrera hematoencefálica 3D de microfluidos abiertos.

Para recrear la barrera, el equipo de investigación tomó los tipos de células que forman naturalmente la barrera hematoencefálica (células endoteliales microvasculares, astrocitos humanos y pericitos humanos) y los combinó en una sola plataforma. « Esta estrategia nos permitió replicar casi por completo la estructura celular en 3D que se encuentra en el cuerpo humano », dice Modena. « Pero lo que es realmente excepcional es que podemos medir la permeabilidad de la barrera y al mismo tiempo mapear los cambios morfológicos de la barrera por medio de microscopía de lapso de tiempo de alta resolución ». Para facilitar este doble acto, los investigadores depositaron electrodos completamente transparentes en cubreobjetos de vidrio a ambos lados de la barrera para medir su permeabilidad, que se refleja en la resistencia eléctrica a través de la barrera celular. Los electrodos transparentes ofrecen una ventaja decisiva sobre otros tipos de electrodos, que incluyen películas metálicas o estructuras de alambre que pueden interferir con la detección óptica y la microscopía de alta resolución.

« Sin aumentar la complejidad »

Para imitar la forma en que fluye el fluido en el cuerpo, los investigadores crearon una plataforma microfluídica con depósitos de fluido en ambos extremos en una especie de balancín. Luego, la gravedad desencadenó el flujo, que, a su vez, generó una fuerza de corte en las células. Hierlemann explica el beneficio de esta configuración : « Dado que no usamos ninguna bomba, podemos experimentar con múltiples sistemas modelo simultáneamente, por ejemplo, en una incubadora, sin aumentar la complejidad de la configuración ».

En un estudio, publicado recientemente en la revista Advanced Science, los investigadores presentaron y probaron su nuevo modelo de barrera hematoencefálica in vitro. Sometieron la barrera a la privación de oxígeno y glucosa, como sucede cuando alguien sufre un derrame cerebral. « Estos experimentos nos permitieron desencadenar cambios rápidos en la barrera y demostrar el potencial de la plataforma », dice Modena.

A través de este estudio, Modena y sus colegas pudieron hacer más que demostrar que su nueva plataforma es adecuada para tomar medidas. También descubrieron que la resistencia eléctrica de la barrera disminuye incluso antes de sufrir cambios morfológicos que la hacen más permeable. « Este hallazgo podría resultar relevante para futuras investigaciones », dice Modena. El equipo también observó que en los experimentos de control con un modelo in vitro estático, la barrera era más permeable que en la nueva configuración dinámica. « Está claro que la fuerza de corte, generada por el flujo impulsado por la gravedad, promueve la formación de una capa de barrera más densa, lo que confirma la importancia del flujo para los modelos in vitro representativos », dice Modena.

Modena y Hierlemann creen que su modelo facilitará la detección de qué moléculas estabilizan la barrera, así como el descubrimiento de compuestos y métodos adecuados para atravesarla, lo que sería útil en el tratamiento de tumores cerebrales. Pero Hierlemann señala que el modelo también podría cambiar el curso de futuras investigaciones in vitro : « La ventaja de nuestra plataforma es que es muy fácil de adaptar a otros modelos de células endoteliales, donde una combinación de mediciones de hermeticidad de barrera y alta resolución la microscopía podría allanar el camino a nuevas investigaciones ». La industria ha manifestado interés por el nuevo modelo. Una empresa farmacéutica ya está en contacto con los investigadores.