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Investigadores de la Universidad de 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.
Un dispositivo llamado “riñón en un chip” imita el flujo de medicamentos a través de los riñones humanos y mide su efecto sobre las células renales.
“Cuando administras un medicamento, su concentración sube rápidamente y se filtra gradualmente a medida que fluye a través de los riñones”, indicó Shuichi Takayama, profesor de ingeniería biomédica de la UM.
El nuevo sistema podría conducir a una dosificación más precisa de medicinas, incluyendo algunos potencialmente tóxicos entregados a menudo en unidades de cuidados intensivos.
Además, 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 medicina 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.”
“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 seguró además 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,” manifestó el ex investigador de la UM Sejoong Kim, profesor asociado del Hospital Bundang de la Universidad Nacional de Seúl en Corea.
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.
Los animales, sin embargo 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.
“Incluso la misma dosis de la misma droga puede tener efectos muy diferentes en los riñones y otros órganos, dependiendo de cómo se administra,” manifestó el ex investigador de la UM Sejoong Kim, profesor asociado del Hospital Bundang de la 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”.
LOS EXPERIMENTOS
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 dosis alta en concentración la cual se 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 nuevas medicinas al público 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».
ENGLISH
University of Michigan researchers have used a «kidney on a chip» device to mimic the flow of medication through human kidneys and measure its effect on kidney cells.
The new technique could lead to more precise dosing of drugs, including some potentially toxic medicines often delivered in intensive care units.
Precise dosing in intensive care units is critical, as up to two-thirds of patients in the ICU experience serious kidney injury. Medications contribute to this injury in more than 20 percent of cases, largely because many intensive care drugs are potentially dangerous to the kidneys.
Determining a safe dosage, however, can be surprisingly difficult. Today, doctors and drug developers rely mainly on animal testing to measure the toxicity of drugs and determine safe doses.
But animals process medications more quickly than humans, making it difficult to interpret test results and sometimes leading researchers to underestimate toxicity.
The new technique offers a more accurate way to test medications, closely replicating the environment inside a human kidney. It uses a microfluidic chip device to deliver a precise flow of medication across cultured kidney cells.
This is believed to be the first time such a device has been used to study how a medication behaves in the body over time, called its «pharmacokinetic profile.»
«When you administer a drug, its concentration goes up quickly and it’s gradually filtered out as it flows through the kidneys,» said Shuichi Takayama, U-M professor of biomedical engineering. «A kidney on a chip enables us to simulate that filtering process, providing a much more accurate way to study how medications behave in the body.»
Takayama said the use of an artificial device provides the opportunity to run test after test in a controlled environment. It also enables researchers to alter the flow through the device to simulate varying levels of kidney function.
«Even the same dose of the same drug can have very different effects on the kidneys and other organs, depending on how it’s administered,» said former U-M researcher Sejoong Kim, an associate professor at Korea’s Seoul National University Bundang Hospital.
«This device provides a uniform, inexpensive way to capture data that more accurately reflects actual human patients.»
In the study, the team tested their approach by comparing two different dosing regimens for gentamicin, an antibiotic that’s commonly used in intensive care units. They used a microfluidic device that sandwiches a thin, permeable polyester membrane and a layer of cultured kidney cells between top and bottom compartments.
They then pumped a gentamicin solution into the top compartment, where it gradually filtered through the cells and the membrane, simulating the flow of medication through a human kidney. One test started with a high concentration that quickly tapered off, mimicking a once-daily drug dose.
The other test simulated a slow infusion of the drug, using a lower concentration that stayed constant. Takayama’s team then measured damage to the kidney cells inside the device.
They found that a once-daily dose of the medication is significantly less harmful than a continuous infusion—even though both cases ultimately delivered the same dose of medication. The results of the test could help doctors better optimize dosing regimens for gentamicin in the future. Perhaps most importantly, they showed that a kidney on a chip device can be used to study the flow of medication through human organs.
«We were able to get results that better relate to human physiology, at least in terms of dosing effects, than what’s currently possible to obtain from common animal tests,» Takayama said.
«The goal for the future is to improve these devices to the point where we’re able to see exactly how a medication affects the body from moment to moment, in real time.»
Takayama said the techniques used in the study should be generalizable to a wide variety of other organs and medications, enabling researchers to gather detailed information on how medications affect the heart, liver and other organs.
In addition to helping researchers fine-tune drug dosing regimens, he believes the technique could also help drug makers test drugs more efficiently, bringing new medications to market faster.
Within a few years, Takayama envisions the creation of integrated devices that can quickly test multiple medication regimens and deliver a wide variety of information on how they affect human organs. P
HASIQ, an Ann Arbor-based spinoff company founded by Takayama in conjunction with the U-M Office of Technology Transfer, is commercializing the biomarker readout aspect of this type of technology.
