¿Te imaginas tener un corazón, un pulmón o un intestino dentro de un dispositivo del tamaño de una USB?

Hace apenas unas décadas, esta idea parecía sacada de una película de ciencia ficción, pero hoy en día la ciencia la está haciendo realidad con la invención de los órganos en chip, una tecnología que está revolucionando la forma en que entendemos la salud y la enfermedad.

Todo cabe en un chip-sito sabiéndolo acomodar

Los órganos en chip son dispositivos de tamaño centimétrico que albergan sistemas microscópicos con pequeños canales por donde circulan líquidos que simulan la circulación del organismo y mantienen vivas células o tejidos. Aunque el chip es visible a simple vista, las estructuras funcionales son microscópicas y el dispositivo, fabricado con polímeros transparentes, está diseñado para imitar la forma y el funcionamiento de un órgano real. A grandes rasgos, los microchips se componen de:

Microcanales: por donde circulan líquidos, los cuales pueden contener nutrientes, estímulos químicos o medicamentos.

Células humanas: son el corazón del sistema. Se colocan diferentes tipos celulares según el órgano que se quiera simular, separándolos con membranas porosas que permitan la comunicación entre ellos.

Andamios: biomateriales cuya función es permitir que las células se “peguen” y se organicen en el dispositivo.

Sensores y sistemas de control: mantienen condiciones similares (microambiente mecánico y fisiológico) a las del cuerpo humano y permiten observar las respuestas de las células en tiempo real. Los sensores pueden ser eléctricos (miden la actividad eléctrica de las células, algo crucial para el desarrollo de chips de corazón o cerebro), o químicos/biológicos (detectan y cuantifican el nivel de oxígeno, el pH, la glucosa o la liberación de toxinas en el microambiente).

De la caja de Petri al organ-on-a-chip

Durante muchos años, la ingeniería de tejidos se enfrentó a una limitación importante: los cultivos tradicionales en dos dimensiones (2D), como los que se hacen en cajas plásticas, conocidas como Petri, no reproducían la complejidad de los órganos humanos. Esto dificultaba el estudio de enfermedades y la evaluación de tratamientos.

En paralelo surgió la microfluídica, una ciencia que estudia cómo se mueven los líquidos a través de canales microscópicos. A inicios del siglo xxi, esta disciplina permitió crear dispositivos llamados "lab-on-a-chip", diseñados inicialmente para producir reacciones químicas y biológicas sencillas. Con ellos se abrió una carrera en el desarrollo de microdispositivos cada vez más complejos y, con el tiempo, estos microdispositivos evolucionaron hasta imitar no solo reacciones, sino también la mecánica (movimiento) y la fisiología (funcionamiento) de órganos reales.

En 2010, un grupo de investigadores de Harvard logró un avance histórico: diseñaron el primer órgano en chip que replicaba el funcionamiento de los alvéolos pulmonares, los pequeños sacos donde ocurre el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono. Desde entonces, se han desarrollado chips de hígado, riñón, corazón, cerebro e incluso se han intentado algunos capaces de interconectar varios órganos ¡Cómo si se hiciera un cuerpo en miniatura!

Pequeños canales, grandes funciones

Pero, ¿cómo lograron replicar el funcionamiento de estos órganos vitales en un espacio tan reducido? El secreto detrás de estos chips está en la microfluídica, pues permite mover líquidos en circuitos diminutos que contienen nutrientes para mantener vivas las células. Estas células se organizan en capas, imitando la estructura natural de los tejidos, y pueden responder a estímulos mecánicos, como movimientos o pulsaciones, o químicos, como hormonas o medicamentos, lo cual representa un gran reto para su fabricación.

Imagina una pecera en miniatura donde, en lugar de peces, viven células que necesitan agua limpia y alimento constante para mantenerse con vida. La microfluídica funciona como una bomba invisible que hace circular el agua y los nutrientes, manteniendo todo en equilibrio. Las células se acomodan a la manera de corales en capas, formando estructuras que se parecen a los tejidos reales. Y lo más sorprendente: si en esa pecera en miniatura cambias la corriente del agua, agregas una vitamina o un medicamento, las células responden casi igual a como lo harían dentro de un órgano humano.

Un caso fascinante de aplicación de esta tecnología es el intestino en chip, en el cual se colocan células intestinales humanas junto con bacterias propias de este órgano, como los Lactobacillus y Clostridium, con un flujo constante de nutrientes que simula la digestión. Otro ejemplo: en un corazón en chip, las células musculares se contraen rítmicamente, ¡haciendo latir al chip como un corazón real!

Chips que pueden cambiar la medicina

Para aprobar un medicamento se realizan pruebas en animales como ratas y ratones.

Estos dispositivos también son clave para la medicina personalizada; por ejemplo, hoy en día, científicos mexicanos han diseñado un tumor-on-a-chip que reproduce con precisión cómo crece y se comporta un tumor de colon dentro del cuerpo humano. Además, con células de un paciente, los científicos pueden probar diferentes tratamientos y predecir cómo reaccionaría la persona antes de administrarle el medicamento. Esto podría significar que, en el futuro, tu médico estará en posibilidades de saber qué fármaco te funcionará mejor sin necesidad de ensayo y error.

El sueño de un “cuerpo en un chip”

Aunque el panorama es prometedor, aún existen retos importantes. Actualmente fabricar estos dispositivos es costoso y complejo, lo que dificulta su producción a gran escala.

El siguiente gran objetivo es conectar varios órganos en chip para crear un sistema completo que simule las interacciones entre diferentes órganos. Este logro permitiría, por ejemplo, observar cómo un medicamento se metaboliza en el hígado, viaja por una sangre artificial y llega al cerebro. Todo en cuestión de horas, cuando antes se requería semanas o incluso meses de experimentación. Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts encabezan esta investigación, pues han desarrollado una plataforma que puede interconectar hasta diez órganos en un chip, incluyendo hígado, pulmón e intestino.

Sin embargo, los expertos advierten que falta mucho camino por recorrer, especialmente al intentar recrear sistemas tan complejos como el sistema inmune o el sistema nervioso, que involucran múltiples factores y procesos de regulación. Aun así, ¡no te preocupes! lo que hoy parece ciencia ficción podría convertirse en una práctica común en hospitales y laboratorios. Quizá en unos años, antes de recibir un tratamiento, este habrá sido probado primero en un miniórgano creado con tus propias células.

Sin duda, los órganos en chip muestran que el futuro de la medicina podría caber, literalmente, en la palma de nuestra mano.

Agradecimientos:

Este trabajo fue financiado por el programa DGAPA-PAPIIT: IN216926.

Referencias

Deng S, Li C, Cao J, Cui Z, Du J, Fu Z, ... Chen P. (2023). Organ-on-a-chip meets artificial intelligence in drug evaluation. Theranostics, 13(13), 4526.

Zhao Y, Wang EY, Lai FBL, Cheung K, Radisic M. (2023). Organs-on-a-chip: a union of tissue engineering and microfabrication. Trends in biotechnology, 41(3), 410–424. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.12.018

Leung CM, de Haan P, Ronaldson-Bouchard K. et al. (2022) A guide to the organ-on-a-chip. Nat Rev Methods Primers 2, 33. https://doi.org/10.1038/s43586-022-00118-6

Ejemplos del mundo de los organ-on-a-chip

Ingber D. (2023). Human Organs-on-Chips. Wyss Institute Harvard University. [En línea]. Disponible en: https://wyss.harvard.edu/technology/human-organs-on-chips/

Trafton A. (2020) Using “organs-on-a-chip” to model complicated diseases. MIT News Massachusetts Institute of Technology. https://news.mit.edu/2020/organ-on-microfluidic-chip-0318

Sánchez-Salazar MG, Crespo-López O, Ramos-Meizoso S, Jerezano-Flores VS, Gallegos-Martínez S, Bolívar-Monsalve EJ, Ceballos-González CF, Trujillo-de Santiago G, Álvarez MM. (2023). 3D-Printed Tumor-on-Chip for the Culture of Colorectal Cancer Microspheres: Mass Transport Characterization and Anti-Cancer Drug Assays. Bioengineering (Basel, Switzerland), 10(5), 554. https://doi.org/10.3390/bioengineering10050554