Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Pulmones de laboratorio

Pulmones de laboratorio
Ilustración :: ÁLEX

Desde el punto de vista de la ingeniería de su funcionamiento los pulmones humanos son verdaderos modelos de eficacia. Cada uno de nuestros pulmones (en adultos) posee una superficie total de unos 70 metros cuadrados pero su gran plegamiento y empaquetamiento hace que el volumen total sea reducido y de lugar a una estructura elástica dinámica que logra una eficiente transferencia de oxígeno y dióxido de carbono. Pero diversos problemas hacen soñar a los científicos con la posibilidad de construir pulmones funcionales en los laboratorios para que se puedan implantar con fines curativos médicos a los pacientes necesitados de ellos. La revista Science de esta semana publica dos artículos procedentes de dos diferentes grupos de investigación en los que se muestran los progresos importantes que se están recorriendo en ese arduo camino.

LIMITACIONES
Los pulmones son los órganos en los cuales la sangre recibe oxígeno desde el aire y, a su vez, la sangre se desprende de dióxido de carbono, el cual pasa al aire. Este intercambio se produce mediante la difusión del oxígeno y el dióxido de carbono entre la sangre y los alvéolos que forman los pulmones. Los pulmones tienen alrededor de 500 millones de alvéolos, formando una superficie total de alrededor de 140 m2 en adultos (aproximadamente la superficie de una pista de tenis). La capacidad pulmonar depende de la edad, peso y sexo; oscila entre 4.000-6.000 cm3. Las mujeres suelen tener la capacidad pulmonar alrededor del 20-25 % más baja, debido al menor tamaño de su caja torácica. Un adulto medio respira unos 5-6 litros de aire por minuto. El respirar por la nariz se debe al mayor recorrido que realiza el aire por lo que éste llega más caliente a los pulmones, y así no nos resfriamos tan fácilmente. El pulmón derecho es más grande que el izquierdo; este debe dejar espacio al corazón.

Al contrario de lo que sucede, por ejemplo, con el hígado, el tejido pulmonar no se regenera en el cuerpo. Por otra parte, los donantes de pulmón son muy escasos en relación con el número de pacientes con diferentes patologías que necesitan trasplantes de esos órganos. Por ello sería un sueño disponer algún día de tejido pulmonar capaz de ser usado para trasplantes o reparación de pulmones.¿Se podrá conseguir algún día?

YALE
El núcleo principal de investigadores del primer trabajo procede de la prestigiosa Facultad de Medicina de la Universidad americana de Yale y su portavoz es la doctora Laura E. Niklason que es profesora asociada de Anestesia e Ingeniería Biomédica en esa Universidad. Tras graduarse en Biofísica en Illinois y doctorarse en Chicago, su graduación y doctorado en Medicina lo realizó en Michigan, así como su internado. Tras otros puestos en diferentes lugares, desde el año 2006 permanece en Yale, investigando en ingeniería tisular mientras que su actividad clínica es la Anestesia y Cuidados Intensivos. Sus logros alcanzados desarrollando varios productos cardiovasculares biotecnológicos le han proporcionado diversos reconocimientos internacionales.

En esta ocasión el equipo investigador comenzó extirpando pulmones de ratas, y les eliminaron cuidadosamente con detergentes las células epiteliales esponjosas y los vasos sanguíneos. Con ello, lo que quedó es una especie de “andamiaje” de tejido conectivo pulmonar que retenía la elasticidad y otras propiedades mecánicas del pulmón original.

La fase siguiente del proceso de laboratorio fue la de añadir a ese andamiaje una mezcla de células epiteliales  y endoteliales pulmonares. Tuvo lugar la repoblación y crecimiento celular y, a los pocos días, el tejido de pulmón manipulado ya contenía alvéolos, microvasos sanguíneos y pequeñas vías respiratorias.

La tercera fase fue la de trasplantar este pulmón biotecnológico de laboratorio a una rata viva diferente de la donante inicial.  El pulmón trasplantado, por un corto periodo, de una o dos horas, consiguió intercambiar oxígeno y dióxido de carbono tras el trasplante, tal como hace un pulmón normal.

Esto abre nuevas líneas de investigación esperanzadoras aunque nunca se puede saber a priori si las posibles consecuencias clínicas positivas lo serán a corto, medio o largo plazo. Se trataría de usar un método de este tipo para generar tejido humano funcional de pulmón. Lo lógico sería, para que el método fuese útil en la clínica, que las células utilizadas para volver a sembrar semillas en el “andamio” procediesen del mismo paciente al que se destina el tejdo, recibiendo el trasplante de tejido (para evitar una reacción inmunológica), muy probablemente en la forma de células madre de pulmón o células madre pluripotentes inducidas. Sin embargo, debe quedar claro que este tipo de células no están disponibles todavía.

HARVARD
Otro gran problema que tienen los investigadores pulmonares de patologías, análisis de fármacos o aspectos toxicológicos es la dificultad de trabajar con cultivos celulares pulmonares o pulmones animales.

En este segundo caso un grupo investigador de diversos centros de la acreditada Universidad de Harvard ha realizado el desarrollo de un chip, del tamaño de una moneda, que reproduce muy exactamente el funcionamiento pulmonar. El dispositivo consiste en una membrana porosa, de silicona flexible, cubierta con células epiteliales en un lado y con células endoteliales en el otro, imitando varias características de la frontera entre las células epiteliales y los vasos sanguíneos que están entretejidos a lo largo de los pulmones. Los microcanales alrededor de la membrana permiten que aire o líquido fluya alrededor de la membrana, de modo que al aplicar un vacío al dispositivo provoca que la membrana se estire del mismo modo que lo hace el tejido de pulmón vivo.

Los ensayos realizados fueron bastante satisfactorios. Los investigadores fueron capaces de reproducir procesos como los que se llevan a cabo en los pulmones verdaderos, tales como ciertas respuestas inflamatorias a patógenos o las respuestas que se producen con las citocinas, que son unas moléculas señalizadoras. Otro ejemplo: la tensión mecánica, semejante a la que se induce al respirar, incrementó el consumo de nanopartículas por parte de las células de la membrana, estimulando su transporte hacia los canales microvasculares subyacentes.

Por todo ello, se piensa que este sistema servirá a los investigadores para entender los modos en que los tejidos de pulmón cambian y operan en escalas muy finas, una información que es difícil de obtener a partir de cultivo de células o estudios con animales. En bastantes ocasiones este dispositivo podría ser una alternativa útil a los estudios animales o clínicos, sobre todo para análisis de fármacos e investigación toxicológica.