Explorarán mejores formas de administrar medicamentos usando modelos 3D con movimiento en pulmones e intestinos

Al comprender mejor cómo se comportan el moco y las células en estas barreras mucosas, podemos diseñar mejores métodos y medicamentos para tratar diferentes problemas en estas barreras protectoras”, afirma la ingeniera química de la Universidad de Delaware, Catherine Fromen, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular.

Catherine Fromen

Fromen, desea comprender cómo funcionan estos mecanismos de protección de órganos para mejorar la administración de medicamentos terapéuticos al cuerpo.

La profesora recibió una subvención de USD$ 2 millones del programa Maximizing Investigator’s Research Award  (MIRA) de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de los Estados Unidos, que proporciona a investigadores en etapa inicial un financiamiento sostenido para perseguir ideas novedosas.

La subvención MIRA por 5 años apoyará áreas centrales del trabajo de Fromen centrado en el diseño de medicamentos que van a las interfaces mucosas, como vacunas inhalables para problemas respiratorios. Ella está particularmente interesada en saber a dónde deben ir estos medicamentos para superar las barreras mucosas, por ejemplo, en los pulmones o el tracto gastrointestinal, para interactuar mejor con las células inmunes.

Interfaces mucosas y su rol en la salud humana

Las interfaces mucosas se encuentran en los sistemas respiratorio, gastrointestinal, reproductivo y urinario del cuerpo humano. Estos son los sitios donde somos más vulnerables y donde los patógenos infectan primero. 

Allí, las células inmunes únicas pueden actuar independientemente del sistema inmunológico general del cuerpo, para producir respuestas específicas de la región a cualquier invasor extraño. “Si podemos entregar medicamentos directamente a estas células en la línea del frente, entonces podemos pensar en mejorar la protección de la barrera y combatir los patógenos. Con el pulmón, esto podría ser una solución para enfermedades como el cáncer de pulmón o enfermedades infecciosas como COVID-19 o influenza. En el intestino, esto podría ser la enfermedad celíaca, que es una respuesta inmune (autoinmune) inadecuada al gluten que se encuentra en ciertos alimentos“, asegura Fromen.

Funcionamiento de las barreras mucosas y conceptos para que funcionen mejor

El sistema inmunológico del cuerpo a menudo se considera como un ejército, donde cada uno de los diferentes tipos de células tiene diferentes funciones militares. Puede pensar en la interfaz mucosa como las paredes de un castillo, con celdas de soldados de infantería patrullando el castillo y celdas de vigilancia en busca de problemas en el horizonte. Cualquiera de estas celdas puede entrar al castillo y decir: Sube; es el momento y dirigen la respuesta del cuerpo a diferentes problemas’“, comenta Fromen para explicar el funcionamiento de las barreras mucosas.

Estas células inmunes pasan mucho tiempo en esta capa protectora esperando una señal para hacer algo, por lo que proponen “Si podemos activar un interruptor aquí, puede crear una cascada completa de eventos para hacer algo totalmente diferente que beneficie a todo el órgano o al paciente, asegura la investigadora“.

Presenta como ejemplo el que en ocasiones estas células han sido entrenadas incorrectamente para ser “sobreprotectoras” de una manera que tiene efectos secundarios no deseados. “Tal vez las células en esta interfaz mucosa estén apoyando a una célula tumoral y no deberían ser así. ¿Podemos dar instrucciones para alertar a las células inmunitarias de que la célula tumoral es mala, para que se despierten y hagan todas las cosas que normalmente hacen bien?“.

Actualmente, solo podemos entregar instrucciones de una sola palabra para que esas células puedan reunir a las tropas. Necesitamos poder enviar mejores mensajes y con más frecuencia a estas células“.

Primeros pasos

El trabajo iniciará concentrándose en el pulmón, “ya que es un área de especialización de mi laboratorio. Sin embargo, el trabajo es más ampliamente aplicable a las interfaces mucosas en otros lugares como el intestino humano porque ambos órganos están en constante movimiento y tienen una gran superficie“.

En un trabajo anterior, en el laboratorio de Fromen se desarrolló un modelo de pulmón impreso en 3D que incorpora la arquitectura ramificada única del tejido de ese órgano. Ahora se planea agregar movimiento al modelo y pasar líquidos y medicamentos para descubrir cómo funciona el sistema a un nivel fundamental. “Los investigadores han estudiado en una pequeña escala cómo fluye la mucosa de izquierda a derecha o cómo las cosas se difunden a través de ella, pero nadie ha observado los mecanismos de transporte más importantes: el grosor de la mucosidad, cuánto tiempo pueden permanecer las cosas en un lugar, cómo cambian las cosas. Queremos ver el movimiento del pulmón mientras crea aire y el moco encima, para estudiar cómo se mueven los medicamentos a través de este marco macroscópico, incluso antes de que lleguen al moco“.

Esto permitirá conocer todos los movimientos que ocurren dentro del cuerpo, “uno de los mayores desafíos que enfrentamos desde el punto de vista farmacéutico es no saber adónde va el medicamento una vez dentro del cuerpo. Podemos construir modelos de simulación para explorar cosas como cómo los medicamentos se difunden al tejido cuando los colocamos en ramas específicas del pulmón, pero no sabemos cómo predecir, de manera efectiva, dónde va dentro de todo el órgano o cuánto tiempo pasará. Lo mismo ocurre en el intestino. Podemos estimar, pero cada cuerpo es diferente“.

Agrega que “la mayoría de los estudios y simulaciones de cómo se mueven los medicamentos dentro del cuerpo asumen que una persona sana tiene un peso corporal particular. Esto puede ser problemático, ya que sabemos que los pulmones de una persona pueden parecer increíblemente diferentes según el estado del tabaquismo, la edad o el peso. Sin embargo, actualmente no hay forma de incorporar esta información para predecir cómo funcionarán los medicamentos. Ahí es donde entra nuestro modelo“.

La importancia de estudiar este movimiento

Al destacar la relevancia del estudio comenta que incluso algo tan simple como abrir o cerrar la epiglotis, ese pequeño colgajo en la garganta que cubre el esófago cuando se traga, es un desafío. “Pero este es un verdadero punto de compresión para la inhalación de medicamentos, por lo que un modelo podría proporcionar información importante respecto al movimiento o dispersión de los medicamentos en diversas condiciones. Por ejemplo, respiraciones cortas y poco profundas frente a respiraciones más largas y profundas“.

Otras preguntas a responder

La otra cara del trabajo se centra en comprender qué sucede cuando el medicamento llega a su destino. Por lo que es necesario desentrañar cómo el diseño de la formulación del medicamento interactúa con células inmunes específicas que viven en la barrera de la mucosa. “Tenemos datos interesantes de que estas células pueden vivir más tiempo al absorber objetos extraños (medicamentos, virus) y que su vida útil en la interfaz mucosa está regulada por la frecuencia de estas interacciones“, menciona Fromen.

Estas células centinela son fundamentales para tomar información externa y coordinar la respuesta de los tejidos. Queremos explorar si, al cambiar la química de la formulación de la medicina inhalada, podemos girar las perillas para controlar lo que hacen estas células inmunes y durante cuánto tiempo, para crear el efecto deseado“.

Una exploración para mejorar la vida humana

Finalmente al referirse a la dirección que llevará este trabajo menciona que existen tantas enfermedades que se originan en esta interfaz mucosa, por lo que es una oportunidad real para mejorar la vida humana. “piense en las vacunas … Si podemos comprender mejor cómo administrar medicamentos para tratar las células directamente en el sitio, será incluso mejor que recibir una inyección en el brazo. Me encantaría ver lo que estamos haciendo que se conviertan en productos terapéuticos que acaben aprobados por la FDA para ayudar a los pacientes con problemas respiratorios en mi vida, o ver nuestros modelos utilizados para evaluar terapias y avanzar en la medicina personalizada“.

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