Avatares en miniatura enfrentan el mayor desafío de la NASA

¿Ciencia ficción o realidad? Antes de viajar a Marte, la NASA necesita aprender cómo los vuelos espaciales afectarán a los astronautas a bordo de este exigente viaje. Ahora, ellos podrán lograrlo gracias a los avatares en miniatura

Estos avatares serán capaces de modelar enfermedades y ayudar a determinar medicamentos personalizados para quienes emprendan este viaje hacia lo inexplorado. Asombrosamente, esta extraordinaria tecnología existe en la actualidad y no es una obra de ciencia ficción.

Un nuevo enfoque para un proceso abrumador

Los viajes espaciales presentan desafíos excepcionales, especialmente para el cuerpo humano. En los vuelos espaciales, los astronautas experimentan un número de factores estresantes, como pérdida de masa ósea, atrofia de los músculos, cambios en el sistema inmunitario y otros trastornos que pueden afectar su salud.

Colectivamente, estos factores estresantes pueden contribuir a problemas de salud en los astronautas y, a medida que la humanidad continúa explorando el espacio más lejos y durante más tiempo que antes, estos astronautas no tendrán acceso a hospitales o laboratorios completamente equipados para tratar sus dolencias. Es entonces cuando surge la necesidad de crear modelos de enfermedades y de desarrollar medicamentos avanzados y métodos para comprender los cambios biológicos en el espacio profundo en anticipación al viaje.

Un comienzo prometedor

El primer chip de tejido 3D se introdujo en 2010 y, después de una extensa investigación durante los últimos 12 años, ha mostrado resultados prometedores. Estos chips están diseñados para tener aproximadamente el tamaño de una tarjeta de crédito y se pueden utilizar para representar diversos órganos humanos, modelando tanto la estructura como el funcionamiento de diversas partes del cuerpo, como los pulmones, el hígado, los riñones, los intestinos, los huesos, los músculos y el corazón. Combinados, pueden representar sistemas de varios órganos humanos.

Estos avatares en miniatura de tejidos de órganos vivos están diseñados utilizando células de la sangre o de la piel de una persona convertidas mediante la ciencia de células madre pluripotentes inducidas (iPSC, por sus siglas en inglés) para hacer crecer el tejido de interés en chips de microfluidos. Los investigadores utilizan estos chips de tejido en laboratorios, tanto en la Tierra como en el espacio a bordo de la Estación Espacial Internacional, para obtener información más detallada sobre los efectos biológicos de la exposición a los vuelos espaciales, comprender el modelado de enfermedades y predecir la eficacia de posibles productos farmacéuticos.

“Los chips de tejido 3D imitan los órganos biológicos al proporcionar estructuras y entornos de múltiples capas que son representativos de lo que se encontraría dentro del cuerpo humano”, dice la Dr. Lisa Carnell, científica del programa de investigación traslacional en la División de Ciencias Biológicas y Físicas de la NASA (BPS, por sus siglas en inglés).

Los chips de tejido 3D ya han demostrado su valor en las investigaciones actuales, por lo que los científicos tienen grandes esperanzas puestas en el futuro de esta nueva tecnología. Recientemente, se utilizaron chips de tejido para estudiar el COVID-19, lo que ayudó a comprender la patología de la enfermedad y a poner a prueba posibles terapias.

Un lugar en el espacio para tejidos y chips 3D

La división BPS de la NASA, los Institutos Nacionales de la Salud (NIH, por sus siglas en inglés) del Departamento de Salud y Servicios Humanos, la Autoridad de Investigación y Desarrollo Biomédico Avanzado (BARDA) y la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de Estados Unidos están colaborando en los próximos pasos para avanzar aún más en el desarrollo de los chips de tejido 3D.

Actualmente, los chips de tejido 3D solo son viables durante alrededor de un mes, lo que limita su uso. Esta colaboración entre varias agencias tiene como objetivo cambiar esto mediante el financiamiento de nueve contratos que extenderán la viabilidad y la función fisiológica de los tejidos a un mínimo de seis meses. Al extender la viabilidad de los tejidos, los investigadores podrán hacer pruebas con exposiciones agudas y crónicas a medicamentos, radiación, peligros ambientales, infecciones y microgravedad, por nombrar algunos factores.

“La NASA quiere enviar estos avatares al espacio profundo, la Luna y Marte, de modo que podamos entender lo que le sucede a la biología humana en el espacio y encontrar formas de proteger a los astronautas”, explica Carnell. “Estos chips van a tener un gran valor para la NASA, a fin de garantizar que los seres humanos puedan prosperar en el espacio profundo en futuras misiones de Artemis”.

Acerca de los investigadores

Estos son los equipos de investigadores que trabajan para extender la longevidad de los chips de tejido con el fin de estudiar una amplia variedad de cambios biológicos, incluyendo factores estresantes neurotóxicos, exposición a la radiación y exposiciones agudas y crónicas a medicamentos, entre otros estudios.

Elizabeth Blaber, Instituto Politécnico Rensselaer: la investigación Comprensión del eje cerebro-hígado-intestinos durante los vuelos espaciales y el envejecimiento proporcionará modelos de tejidos humanos multicelulares complejos a largo plazo para estudiar la respuesta a factores estresantes agudos y crónicos de los vuelos espaciales en entornos que imitan la exploración del espacio profundo.

Joel Blanchard, Escuela ICAHN de Medicina en Mount Sinai: la investigación Identificación de biomarcadores y mecanismos patológicos mediante el análisis longitudinal de respuestas neurológicas y cerebrovasculares al estrés neurotóxico utilizando un modelo integrado multicelular del cerebro humano determinará cómo el tejido genéticamente diverso del cerebro humano responde a las tensiones neurotóxicas que pueden encontrarse en el espacio.

Guohao Dai, Universidad Northeastern: la investigación Bioingeniería 3D de larga duración del sistema microfisiológico neurovascular para modelar la neurodegeneración mediada por inflamación desarrollará un modelo neurovascular duradero que se pueda utilizar para evaluar el impacto de factores estresantes crónicos en el cerebro.

Dr. Guillermo García-Cardeña, Hospital Brigham and Women's, Inc.: la investigación Modelado de la disfunción vascular desencadenada por antraciclinas utilizará una plataforma de “órgano en chip” para estudiar cómo un medicamento utilizado en quimioterapia, la doxorrubicina, desencadena la disfunción de las células vasculares, lo que apoyará el desarrollo de nuevas intervenciones terapéuticas para reducir sus efectos secundarios.

Abhishek Jain, Texas A&M,: la investigación Modelo de larga duración de chip de vaso iPSC en pacientes para evaluar factores estresantes de la aterosclerosis y las terapias de ARNm estudiará los mecanismos de señalización vascular para identificar terapias contra el envejecimiento y enfermedades vasculares relacionadas con la radiación.

Christopher Porada, Universidad Wake Forest: la investigación Plataformas longevas de equivalentes de tejido de un solo órgano y de varios órganos (OTE) para modelar la respuesta de los tejidos humanos a diversos factores estresantes utilizará equivalentes de tejido humano (OTE, por sus siglas en inglés) para obtener información sobre la manera como los diferentes tejidos humanos responden a los vuelos espaciales.

Gordana Vunjak-Novakovic, Universidad de Columbia: la investigación MORPH: Reparación de órganos posthipoxia estudiará los efectos de la hipoxia [déficit de oxígeno] aguda en los sistemas de órganos afectados de manera más crítica: cerebro, corazón, médula ósea y el sistema vascular.

Joseph Wu, Universidad de Stanford: la investigación Evaluación de los efectos a largo plazo de la exposición a la radiación en tejidos cardíacos y vasculares fabricados obtendrá una mejor comprensión de cómo y por qué la exposición a la radiación causa enfermedades mediante el uso de tejidos similares a los tejidos cardíacos y vasculares creados con biología de células madre y tecnología de ingeniería de tejidos.

Catherine Yeung, Universidad de Washington: la investigación Cultivo extendido de sistemas microfisiológicos (MPS) de riñón y organoides para modelar la exposición aguda y crónica a medicamentos y toxinas ambientales utilizará chips de riñón y de organoides para comprender mejor las lesiones y la recuperación a la exposición crónica a medicamentos, toxinas y patógenos.

Acerca de BPS

La División de Ciencias Biológicas y Físicas de la NASA es pionera en descubrimientos científicos y permite la exploración utilizando entornos espaciales para realizar investigaciones que no son posibles en la Tierra. El estudio de los fenómenos biológicos y físicos en condiciones extremas permite a los investigadores lograr avances en los conocimientos científicos fundamentales necesarios para llegar más lejos y permanecer más tiempo en el espacio, al tiempo que se beneficia la vida en la Tierra.

Más información sobre las investigaciones de la División de Ciencias Biológicas y Físicas de la NASA (en inglés): https://science.nasa.gov/biological-physical/investigations

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