Investigadores de Columbia Engineering y el Centro Médico de la Universidad de Columbia CUMC han desarrollado un nuevo método que puede enfocarse en la entrega de volúmenes muy pequeños de medicamentos al pulmón. Su enfoque, en el cual se instilan micro litros de líquido que contienen un medicamentopulmón, distribuido como una película delgada en la región predeterminada de la vía aérea pulmonar, y absorbido localmente, puede proporcionar un tratamiento mucho más efectivo de la enfermedad pulmonar. El trabajo fue publicado en la edición temprana en línea del 31 de agosto de Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS .
Los pulmones son susceptibles a muchas enfermedades, incluida la fibrosis quística, la bronconeumonía, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica y el cáncer de pulmón, que actualmente se tratan mediante la aplicación sistémica de medicamentos, la ingesta oral o la inhalación de aerosol. Para lograr niveles terapéuticos en elEn el sitio patológico, los médicos deben administrar grandes cantidades de la droga que puede causar efectos adversos a otros órganos del cuerpo. Las enfermedades pulmonares podrían tratarse de manera más efectiva si la droga de elección pudiera administrarse localmente al sitio patológico en el pulmón, en eldosis exacta necesaria para el tratamiento.
"Visualizamos que nuestro enfoque de instilación de líquidos en microvolúmenes permitirá concentraciones de medicamentos predecibles en el sitio objetivo, reduciendo la cantidad de medicamento requerida para el tratamiento efectivo de la enfermedad con efectos secundarios significativamente reducidos", dice Gordana Vunjak-Novakovic, profesora de la Fundación MikatiIngeniería Biomédica y profesora de ciencias médicas en Medicina, quien supervisó el trabajo en su Laboratorio de Células Madre e Ingeniería de Tejidos.
El principal desafío para el equipo fue la enorme complejidad de la estructura pulmonar que proporciona la función vital del intercambio de oxígeno y dióxido de carbono con la sangre. Tanto la arquitectura del tejido como el flujo de aire cambian dramáticamente a lo largo de las 24 generaciones de la vía aérea pulmonar,desde el gran bronquio hasta los alvéolos.Jinho Kim, un becario postdoctoral en el laboratorio de Vunjak-Novakovic y autor principal del estudio, se dio cuenta de que la distancia que recorre un tapón de líquido antes de ser absorbido como película líquida puede variar cambiando el volumen del tapón.y el régimen de ventilación. Al estudiar los tapones de líquidos en tubos de vidrio simples, desarrolló un modelo matemático que describe el proceso de transporte de líquidos en cada generación del árbol de la vía aérea. El modelo se utilizó para determinar el volumen del tapón de líquido y los parámetros de ventilación programada para la entregaen una región específica del pulmón. Las predicciones del modelo se confirmaron demostrando la deposición de película líquida dirigida en pulmones ventilados, utilizando three diferentes modalidades de imagen.
"La instilación líquida se ha utilizado para proporcionar surfactante pulmonar a los pulmones enteros en bebés prematuros que no pueden producir suficiente surfactante para respirar normalmente", observa Kim. "Aunque la instilación líquida tiene un gran potencial terapéutico, sus aplicaciones no han sido exploradas, en gran parte debido acomprensión limitada del transporte de líquido en las vías respiratorias pulmonares. Estamos muy entusiasmados con las implicaciones de nuestro trabajo ".
El proyecto ha sido muy colaborativo, dice Vunjak-Novakovic, cuyo equipo incluyó tres ingenieros biomédicos, un cirujano de trasplante de pulmón y un neumólogo: "Este estudio es realmente emblemático de cómo se realiza la investigación biomédica en la Universidad de Columbia".
Kim ideó el enfoque para la entrega dirigida de microvolúmenes de medicamentos, desarrolló la teoría necesaria y realizó los experimentos de apoyo con John O'Neill, un estudiante de doctorado en ingeniería biomédica. En CUMC, el profesor Matt Bacchetta, Departamento de Cirugía Torácica,y el Profesor Asistente Valerio Dorrello, Departamento de Pediatría y Cuidados Críticos, ayudaron a definir los parámetros clínicamente relevantes para el suministro de medicamentos y optimizar la ventilación y perfusión pulmonar. Los investigadores planean a continuación demostrar el tratamiento de enfermedades pulmonares como la fibrosis quística y las infecciones de las vías respiratorias mediante el suministro pulmonarmedicamentos que utilizan su enfoque de instilación líquida.
"Estamos fascinados por las oportunidades que ofrecen los enfoques de bioingeniería para tratar de manera más efectiva la enfermedad pulmonar", agrega Vunjak-Novakovic. "El pulmón es un órgano enormemente complejo que tiene miles de millones de células dentro de un tejido organizado jerárquicamente que no se puede construir desde cero"Hace cuatro años, comenzamos la investigación de la regeneración pulmonar utilizando células madre y métodos de bioingeniería. Y continuamos trabajando con nuestros colegas clínicos para desarrollar nuevos enfoques de tratamiento para tratar la enfermedad pulmonar ".
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Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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