Las personas que pasan ocho o más horas al día mirando la pantalla de una computadora pueden notar que sus ojos se cansan o se secan, y, si esas condiciones son lo suficientemente graves, eventualmente pueden desarrollar la enfermedad del ojo seco DED. La DED es una enfermedad común.con sorprendentemente pocas opciones de medicamentos aprobadas por la FDA, en parte debido a las dificultades de modelar la fisiopatología compleja en los ojos humanos. Ingrese el ojo parpadeante en un chip: una réplica artificial del ojo humano construida en el laboratorio de investigadores de Penn Engineering.
Este ojo en un chip, completo con un párpado parpadeante, está ayudando a los científicos y desarrolladores de medicamentos a mejorar su comprensión y tratamiento de la DED, entre otros usos potenciales. La investigación, publicada en medicina natural , describe la precisión del eye-on-a-chip como sustituto de un órgano y demuestra su utilidad como plataforma de prueba de drogas.
El estudio fue dirigido por Dan Huh, profesor asociado en el Departamento de Bioingeniería, y el estudiante de posgrado Jeongyun Seo.
Colaboraron con Vivian Lee, Vatinee Bunya y Mina Massaro-Giordano del Departamento de Oftalmología en la Facultad de Medicina Perelman de Penn, así como con Vivek Shenoy, Profesor Distinguido del Presidente Eduardo D. Glandt en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn EngineeringOtros colaboradores incluyeron a Woo Byun, Andrei Georgescu y Yoon-suk Yi, miembros del laboratorio de Huh, y Farid Alisafaei, un miembro del laboratorio de Shenoy.
El laboratorio de Huh se especializa en crear órganos en un chip que proporcionan plataformas in vitro con microingeniería para imitar a sus contrapartes in vivo, incluidos los proxies de pulmón y médula ósea lanzados al espacio este mayo para estudiar la enfermedad de los astronautas. El laboratorio ha pasado años bien-sintonizando su ojo en un chip, lo que les valió el Premio Lush 2018 por su promesa en pruebas de drogas, productos químicos y cosméticos sin animales.
En este estudio, Huh y Seo se centraron en diseñar un modelo de ojo que pudiera imitar un ojo sano y un ojo con DED, permitiéndoles probar un medicamento experimental sin riesgo de daño humano.
Para construir su ojo en un chip, el equipo de Huh comienza con un andamio poroso diseñado con impresión 3D, aproximadamente del tamaño de una moneda de diez centavos y la forma de una lente de contacto, en la que crecen células oculares humanas. Las células dela córnea crece en el círculo interno del andamio, teñido de amarillo, y las células de la conjuntiva, el tejido especializado que cubre la parte blanca de los ojos humanos, crecen en el círculo rojo circundante. Una losa de gelatina actúa como el párpado, deslizándose mecánicamente sobreel ojo al mismo ritmo que el parpadeo humano. Alimentado por un conducto lagrimal teñido de azul, el párpado extiende secreciones artificiales de lágrimas sobre el ojo para formar lo que se llama una película lagrimal.
"Desde el punto de vista de la ingeniería, nos pareció interesante pensar en la posibilidad de imitar el entorno dinámico de un ojo humano parpadeante. El parpadeo sirve para extender las lágrimas y generar una película delgada que mantiene hidratada la superficie ocular. También ayuda a formar unsuperficie refractiva lisa para la transmisión de luz. Esta fue una característica clave de la superficie ocular que queríamos recapitular en nuestro dispositivo ", dice Huh.
Para las personas con DED, esa película lagrimal se evapora más rápido de lo que se repone, lo que resulta en inflamación e irritación. Una causa común de DED es el parpadeo reducido que ocurre durante el uso excesivo de la computadora, pero las personas también pueden desarrollar la enfermedad por otras razones.El DED afecta a alrededor del 14 por ciento de la población mundial, pero ha sido notablemente difícil desarrollar nuevos tratamientos, con 200 ensayos clínicos farmacológicos fallidos desde 2010 y solo dos medicamentos actualmente aprobados por la FDA para el tratamiento.
El laboratorio de Huh ha estado considerando el potencial de prueba de drogas de los órganos en un chip desde su conceptualización inicial y, debido a su área de impacto a nivel de superficie, DED parecía el lugar perfecto para comenzar a poner su modelo de ojo en elprueba. Pero antes de comenzar una prueba de drogas, el equipo tuvo que asegurarse de que su modelo realmente pudiera imitar las condiciones de DED.
"Inicialmente, pensamos que modelar DED sería tan simple como mantener el ambiente de cultivo seco. Pero resulta que es una enfermedad multifactorial increíblemente compleja con una variedad de subtipos", dice Huh. "Independientemente del tipo,Sin embargo, hay dos mecanismos centrales que subyacen al desarrollo y la progresión de la DED. Primero, a medida que el agua se evapora de la película lagrimal, la concentración de sal aumenta dramáticamente, lo que resulta en hiperosmolaridad de las lágrimas.más rápido y con frecuencia se rompe prematuramente, lo que se conoce como inestabilidad de la película lagrimal. La pregunta era: ¿es nuestro modelo capaz de modelar estos mecanismos centrales del ojo seco? "
La respuesta, después de mucha experimentación, fue sí. El equipo evocó condiciones DED en su ojo en un chip cortando el parpadeo artificial de su dispositivo por la mitad y creando cuidadosamente un entorno cerrado que simulaba la humedad de las condiciones de la vida real.Cuando se pusieron a prueba contra ojos humanos reales, tanto sanos como con DED, los modelos correspondientes de eye-on-a-chip demostraron su similitud con el órgano real en múltiples medidas clínicas. Los ojos en un chip imitaron los ojos reales 'rendimiento en una tira de Schirmer, que prueba la producción de líquido; en una prueba de osmolaridad, que analiza el contenido de sal de la película lagrimal; y en una prueba de queratografía, que evalúa el tiempo que tarda una película lagrimal en romperse.
Habiendo confirmado la capacidad de su ojo en un chip para reflejar el rendimiento de un ojo humano en entornos normales e inductores de DED, el equipo de Huh recurrió a la industria farmacéutica para encontrar un prometedor candidato a fármaco DED para probar su modelo.Aterrizaron en un próximo medicamento basado en lubricina, una proteína que se encuentra principalmente en el líquido lubricante que protege las articulaciones.
"Cuando las personas piensan en la DED, normalmente la tratan como una enfermedad crónica causada por la inflamación", dice Huh, "pero ahora hay cada vez más pruebas que sugieren que las fuerzas mecánicas son importantes para comprender la fisiopatología de la DED. A medida que la película lagrimal se vuelve más delgaday más inestable, aumenta la fricción entre los párpados y la superficie ocular, y esto puede dañar la superficie epitelial y también desencadenar respuestas biológicas adversas como la inflamación. Según estas observaciones, hay un interés emergente en desarrollar lubricantes oftálmicos como tratamiento tópico para la sequedad.ojo. En nuestro estudio, utilizamos un medicamento a base de lubricina que actualmente se encuentra en ensayos clínicos. Cuando probamos este medicamento en nuestro dispositivo, pudimos demostrar sus efectos reductores de la fricción, pero, lo que es más importante, descubrimos este modelo.su capacidad previamente desconocida para suprimir la inflamación de la superficie ocular "
Al comparar los resultados de las pruebas de sus modelos de un ojo sano, un ojo con DED y un ojo con DED más lubricina, Huh y Seo pudieron ampliar la comprensión de los científicos sobre cómo funciona la lubricina y mostrar la promesa del medicamento como DEDtratamiento.
Del mismo modo, el proceso de construir un ojo en un chip parpadeante impulsó la comprensión de los científicos del ojo en sí, proporcionando información sobre el papel de la mecánica en la biología. Colaborando con Shenoy, director del Centro de Ingeniería Mecánica Mecánica, elSe llamó la atención del equipo sobre cómo la acción de parpadeo físico estaba afectando a las células que cultivaron para diseñar un ojo artificial en la parte superior de su andamiaje.
"Inicialmente, las células corneales comienzan como una sola capa, pero se estratifican y forman múltiples capas como resultado de la diferenciación, lo que ocurre cuando estas células se cultivan en la interfaz aire-líquido. También forman una célula celular estrechalas uniones y expresan un conjunto de marcadores durante la diferenciación ", dice Huh." Curiosamente, descubrimos que las fuerzas mecánicas debido al parpadeo en realidad ayudan a las células a diferenciarse más rápida y eficientemente. Cuando las células corneales se cultivaron bajo el aire en presencia de parpadeo, la tasa y el grado de diferenciación aumentaron significativamente en comparación con los modelos estáticos sin parpadear. En base a este resultado, especulamos que las fuerzas fisiológicas inducidas por el parpadeo pueden contribuir a la diferenciación y el mantenimiento de la córnea ".
En otras palabras, las células de la córnea humana que crecen en el andamio de los científicos se especializaron más rápidamente en sus trabajos particulares cuando el párpado artificial parpadeaba sobre ellas, lo que sugiere que fuerzas mecánicas como el parpadeo contribuyen significativamente a la función de las células.Los tipos de avances conceptuales, junto con las aplicaciones de descubrimiento de fármacos, resaltan el valor multifacético que los órganos diseñados en un chip pueden contribuir a la ciencia.
El ojo en el chip de Huh y Seo todavía está sumergiendo sus dedos en el campo de las pruebas de drogas, pero este primer paso es una victoria que representa años de trabajo refinando su ojo artificial para alcanzar este nivel de precisión y utilidad.
"Aunque acabamos de demostrar una prueba de concepto", dice Seo, "espero que nuestra plataforma eye-on-a-chip esté más avanzada y se use para una variedad de aplicaciones además de la detección de drogas, como la prueba de lentes de contactoy cirugías oculares en el futuro "
"Estamos particularmente orgullosos del hecho de que nuestro trabajo ofrece un excelente y raro ejemplo de esfuerzos interdisciplinarios que abarca un amplio espectro de actividades de investigación, desde el diseño y la fabricación de nuevos sistemas de bioingeniería hasta el modelado in vitro de enfermedades humanas complejas y las pruebas de drogas".Huh dice: "Creo que esto es lo que hace que nuestro estudio sea único y representativo de la innovación que se puede lograr con la tecnología organ-on-a-chip".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Original escrito por Lauren Salig. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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