Desarrollo de nuevas aplicaciones terapéuticas con microfluídica

Me llamo Mamed Toner. Originalmente me formé en ingeniería mecánica y posteriormente en ingeniería biomédica y ciencias. Soy miembro del profesorado del Hospital General de Massachusetts, de la Escuela de Medicina de Harvard y de la división de Ciencias y Tecnología de la Salud de Harvard y el MIT, donde exploro diversas aplicaciones de la ingeniería biomédica en medicina, que van desde la detección de células raras en sangre que pueden determinarse, encontrarse muy rápidamente, hasta el cambio de su fisiología para comprender así la fisiología de estas células en un estado patológico, por ejemplo, en inflamación o en pacientes quemados o heridos.

Y tratar de comprender la respuesta del sistema inmunitario innato y tratar de entender cómo las células sanguíneas regulan la respuesta inflamatoria en este tipo de casos, y analizar su genómica y proteómica. En este tipo de ejemplos, lo que se desea es identificar estas células sin alterar su fisiología ni sus niveles de expresión, entre otros aspectos. Por lo tanto, lo que se investiga es la fisiología natural del problema subyacente, y no un artefacto derivado del manejo de las células.

Otras aplicaciones serán dispositivos tipo punto de atención, como los chips para la salud global que podrían medir células de interés que determinarán el inicio de la terapia, por ejemplo el nivel de linfocitos positivos para CD4. Por ello, estamos trabajando en el desarrollo de chips que puedan encontrar y contar las células positivas para CD4 mediante una tecnología de microchip microfluídico, y aplicaciones más complejas estarán en lo que denominamos detección de células raras. En medicina, específicamente en medicina clínica, normalmente tratamos con células comunes y tratamos de comprender la fisiología del paciente basándonos en esas células.

Pero en realidad, muchos de los procesos fisiológicos o patofisiológicos están controlados por células mucho más raras y menos comunes, como las células dendríticas, las células madre y las células reguladoras, o en el caso del cáncer, las células tumorales circulantes. Por ello, nos interesa encontrar células raras que realmente determinen la respuesta a diversos tratamientos y que también podrían utilizarse con fines diagnósticos. Es, por tanto, un aspecto muy amplio que consiste en utilizar la microfluídica y manipular células en chips para diversas aplicaciones diagnósticas y terapéuticas.

Los primeros estudios en microfluídica se centraron principalmente en la construcción, aprovechando las herramientas de las tecnologías de microsistemas desarrolladas para aplicaciones tipo circuito integrado, y en la aplicación de sistemas miniaturizados para conceptos tipo laboratorio en un chip, donde se desarrollarían microcitometría de flujo, sistemas de electroforesis microfluidos y sistemas de cromatografía microfluidos. A partir de estos estudios de miniaturización, hemos aprendido mucho sobre cómo integrar sistemas biológicos con microsistemas. Y lo que ha faltado en el campo hasta ahora son aplicaciones importantes, aplicaciones exitosas que podríamos llamar blockbusters o aplicaciones con gran impacto clínico de estas tecnologías.

Por lo tanto, nuestros laboratorios, especialmente por estar ubicados en un importante hospital de investigación, se centran en explorar aplicaciones significativas y habilitadoras de estas tecnologías, identificando áreas en las que podamos resolver problemas que de otro modo no se podrían abordar. Por ejemplo, en el caso del SIDA aplicado a la salud global, un dispositivo de bajo costo que pueda utilizarse para detectar y aislar linfocitos positivos a partir de sangre completa, obtenida mediante una punción en el dedo, y que presente características de diagnóstico en el punto de atención. Y si esta tecnología tiene éxito, será utilizada por millones de personas.

Por lo tanto, la fabricación de estos dispositivos, su escalado y su uso en aplicaciones de alto impacto, donde hemos centrado nuestra atención, al igual que muchos otros en el campo recientemente. Pero allí es donde considero que habrá avances importantes en el campo: encontrar aplicaciones significativas de estas tecnologías en medicina clínica y ciencias biológicas. Las mismas herramientas también se exploran, de formas muy ingeniosas, para abordar procesos biológicos fundamentales, como investigar las interacciones entre células, estudiar cómo responden las células a señales del entorno, y controlar con gran precisión el microentorno de células y tejidos, lo que a su vez puede utilizarse para comprender los procesos fundamentales que regulan la respuesta biológica. Las aplicaciones de esto incluyen conceptos tipo salario viviente en los que estamos trabajando, donde las células serán etiquetadas, clones de células que informarán sobre diferentes genes que podrían introducirse, se introducen en una red microfluídica muy compleja y se exponen a miles de condiciones diferentes en un solo experimento.

Y puede monitorizar la expresión génica en tiempo real de estas células marcadas con espec, diferentes clones marcados con genes distintos. Uno de los aspectos críticos, en mi opinión uno de los mayores desafíos en el campo, es cómo traducir estos hallazgos de la ciencia básica o estas tecnologías interesantes, por así decirlo, en nuevas terapias o aplicaciones biológicas significativas; se trata de un campo muy multidisciplinario.

Necesita ingenieros, necesita físicos, necesita biólogos, neurobiólogos, dependiendo de las aplicaciones. Por lo tanto, en mi opinión, conectar las disciplinas ha sido uno de los problemas más importantes. La mayoría de los descubrimientos iniciales fueron realizados por ingenieros y físicos sin una buena formación ni comprensión de los problemas biológicos.

Pero más recientemente, los biólogos también están descubriendo que estas herramientas presentan diferencias muy emocionantes, y la brecha entre estas distintas disciplinas se ha reducido significativamente en los últimos años debido al interés tanto desde el ámbito biológico como desde grupos multidisciplinarios como el nuestro, que están explorando estas aplicaciones en medicina clínica y biología. Para mí, este aspecto multidisciplinario es uno de los factores principales que influye en la traducción de estas ideas. El otro es el puente entre la academia y la industria.

Muchas de estas ideas se generan en el ámbito académico, pero son muy complejas y conllevan células, procesos biológicos complejos, así como también ingeniería compleja, problemas de fabricación y empaquetado. Por lo tanto, la traducción hacia la comercialización de estas tecnologías requiere una atención enorme. Parte de esta carga recae, de hecho, sobre los hombros de la industria.

¿Cómo se aplican los avances fundamentales en la industria no es un proceso tan sencillo, especialmente cuando involucra estudios clínicos y muestras biológicas. Por lo tanto, a esos dos aspectos, la naturaleza multidisciplinaria del campo y la traslación desde la academia hacia la industria podrían ser los dos principales obstáculos que debemos abordar en los próximos años. Pero hay muchos grupos trabajando en estas cuestiones, y veo un futuro bastante emocionante para las aplicaciones de lo que yo llamo tecnologías diminutas, tecnologías micro y nano en medicina y biología.