ANN ARBOR– Investigadores de University of Michigan han utilizado un  dispositivo al que llaman “riñón en un chip” para imitar el flujo de medicamentos a través de los riñones humanos y medir su efecto sobre las células renales.

La nueva técnica podría conducir a una dosificación más precisa de medicamentos, incluyendo algunos potencialmente tóxicos entregados a menudo en unidades de cuidados intensivos. 

La dosificación exacta en unidades de cuidados intensivos es crítica, ya que hasta dos tercios de los pacientes en la UCI experimentan lesión renal grave. Los medicamentos contribuyen a esta lesión en más de un 20% de los casos, en gran parte debido a que muchos medicamentos de terapia intensiva son potencialmente peligrosos para los riñones.

La determinación de una dosis segura, sin embargo, puede ser sorprendentemente difícil. Hoy en día, los médicos y los desarrolladores de medicamentos se basan principalmente en la experimentación con animales para medir la toxicidad de los fármacos y determinar las dosis seguras. Pero los animales procesan los medicamentos con mayor rapidez que los seres humanos, lo que hace difícil interpretar los resultados de las pruebas y, a veces lleva a los investigadores a subestimar la toxicidad.

La nueva técnica ofrece una manera más precisa para probar medicamentos, replicando de cerca el ambiente dentro de un riñón humano. Utiliza un dispositivo de chip microfluídico para entregar un preciso flujo de la medicación a través de células renales en cultivo. Esta, se cree, que es la primera vez que un dispositivo de este tipo ha sido utilizado para estudiar cómo se comporta un medicamento en el cuerpo con el tiempo, llamado su “perfil farmacocinético.” 

“Cuando administras un medicamento, su concentración sube rápidamente y se filtra gradualmente a medida que fluye a través de los riñones”, dijo a Shuichi Takayama, profesor de ingeniería biomédica de la U-M. “Un riñón en un chip nos permite simular el proceso de filtrado, proporcionando una forma mucho más precisa para estudiar cómo se comportan los medicamentos en el cuerpo.” 

Takayama dijo que el uso de un dispositivo artificial ofrece la oportunidad de ejecutar una prueba tras otra en un ambiente controlado. También permite a los investigadores a alterar el flujo a través del dispositivo para simular diferentes niveles de la función renal. 

“Incluso la misma dosis de la misma droga puede tener efectos muy diferentes en los riñones y otros órganos, dependiendo de cómo se administra,” dijo el ex investigador de la U-M Sejoong Kim, profesor asociado en el Hospital Bundang Universidad Nacional de Seúl en Corea. “Este dispositivo proporciona un a manera uniforme, económica de capturar los datos que reflejen con mayor precisión los pacientes humanos reales.” 

En el estudio, el equipo probó su enfoque mediante la comparación de dos regímenes de dosificación diferentes para la gentamicina, un antibiótico que se utiliza comúnmente en las unidades de cuidados intensivos. Utilizó un dispositivo de microfluidos que, a modo de sándwich, atrapa una permeable y delgada membrana de poliéster y una capa de células renales en cultivo entre los compartimentos superior e inferior.

A continuación, bombearon una solución de gentamicina en el compartimiento de la parte superior, donde fue filtrado gradualmente a través de las células y la membrana, simulando el flujo de medicamento a través de un riñón humano. Una prueba comenzó con una alta concentración que fue disminuyendo rápidamente, imitando una dosis única diaria de drogas. La otra prueba simula una infusión lenta del fármaco, usando una concentración más baja que se mantuvo constante. El equipo de Takayama midió entonces el daño a las células de riñón dentro del dispositivo. 

Encontraron que una dosis única diaria de la medicación es mucho menos dañina que una infusión continua-a pesar de que ambos casos suministraron, al final, la misma dosis. Los resultados podrían ayudar a los médicos optimizar los regímenes de dosificación para la gentamicina en un futuro mejor. Quizás aún más importante, demostraron que un riñón en un dispositivo de chip puede ser usado para estudiar el flujo de medicamento a través de órganos humanos.

“Hemos sido capaces de obtener resultados que conectan mejor con la fisiología humana, al menos en cuanto a los efectos de dosificación, de lo que es actualmente posible obtener a partir de los ensayos con animales comunes”, dijo Takayama. “El objetivo para el futuro es mejorar estos dispositivos hasta el punto de que seamos capaces de ver exactamente cómo un medicamento afecta el cuerpo de instante en instante, en tiempo real.”

Takayama dijo que las técnicas utilizadas en el estudio podrían ser utilizables en una amplia variedad de otros órganos y medicamentos, permitiendo a los investigadores obtener información detallada sobre cómo estos afectan el corazón, el hígado y otros órganos.

Además de ayudar a los investigadores a refinar los regímenes de dosificación, Takayama dijo que la técnica también podría ayudar a los fabricantes de fármacos probar medicamentos de manera más eficiente, sacando nuevos medicamentos al mercado más rápidamente. 

En pocos años, Takayama prevé la creación de dispositivos integrados que pueden examinar rápidamente varios regímenes de medicación y entregar una amplia variedad de información sobre la forma en que afectan a los órganos humanos. PHASIQ, una empresa fundada por Takayama en conjunto con la oficina de transferencia tecnológica de la U-M, está comercializando el aspecto de lectura de biomarcador de la tecnología. 

El estudio, publicado en la revista Biofabrication, se titula  “Pharmacokinetic profile that reduces nephrotoxicity of gentamicin in a perfused kidney-on-a-chip.”

Financiación y asistencia para el proyecto fue proporcionado por los Institutos Nacionales de Salud (número de concesión GM096040), y los centros de investigación U-M Center for Integrative Research in Critical Care, Biointerfaces Institute, además del National Research Foundation de Corea y la subvención 2015 de la Asociación Coreana de Medicina Interna.

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