Un modelo cardíaco inteligente en tres dimensiones para evaluar sustancias químicas
Miles de sustancias químicas circulan en nuestro entorno, desde disolventes industriales y plaguicidas hasta productos de limpieza y componentes de envases alimentarios. Aunque la mayoría se somete a pruebas básicas de toxicidad, sus efectos sobre el corazón, en particular sobre el corazón senescente, suelen pasarse por alto. La evaluación actual del riesgo químico rara vez contempla el daño cardíaco a largo plazo ni diferencia entre poblaciones jóvenes y de mayor edad. Además, se basa sobre todo en ensayos con animales, que no reproducen con precisión la fisiología humana y plantean serios dilemas éticos.
Bioingeniería para un corazón senescente
En el proyecto ALTERNATIVE(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, se pretende resolver este problema desarrollando un modelo de tejido cardíacos humano en tres dimensiones (3D). El modelo imita la estructura y la función del tejido cardíaco y puede ajustarse para reproducir tejido joven o envejecido. «Nuestro objetivo era crear una plataforma “in vitro” para estudiar cómo afectan las sustancias químicas al corazón humano, sobre todo en el contexto del envejecimiento», comenta Gianluca Ciardelli, coordinador del proyecto. El modelo de bioingeniería consta de cuatro partes, a saber: una matriz personalizada impresa en 3D, un hidrogel que simula la matriz extracelular del corazón, células de origen humano y un sistema de biorreactor dinámico. La matriz porosa está fabricada con un nuevo polímero biocompatible y recubierta de fibronectina, que mejora la adhesión celular. Los poros se rellenan con un hidrogel de gelatina, cuya rigidez se puede ajustar para simular tejido cardíaco joven o cada vez más envejecido. El modelo incluye células endoteliales y cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidas humanas(se abrirá en una nueva ventana). Un biorreactor microfluídico imita los estímulos mecánicos y eléctricos del corazón. Además, proporciona flujo de perfusión y pulsos eléctricos, mientras unos sensores en tiempo real supervisan los niveles de pH y oxígeno.
Pruebas más inteligentes y rápidas
«Nuestra plataforma no solo imita el tejido cardíaco; sino que también nos permite observar cómo la exposición a sustancias químicas altera la expresión génica, las rutas proteicas y la integridad estructural en el tejido cardíaco joven frente al envejecido», destaca Ciardelli. La plataforma integra análisis multiómicos (genómica, transcriptómica, proteómica) y herramientas de aprendizaje automático para mejorar la detección de signos tempranos de cardiotoxicidad. También se ajusta a las directrices normativas y respalda los objetivos de la Unión Europea recogidos en el Pacto Verde Europeo(se abrirá en una nueva ventana). Se prevé que ALTERNATIVE contribuya a revisar la forma en que las autoridades europeas evalúan los riesgos cardíacos asociados a las sustancias químicas presentes en el medio ambiente. Los ensayos con animales suelen pasar por alto marcadores clave de estrés o degeneración cardíaca, sobre todo en individuos de mayor edad. La plataforma ALTERNATIVE ofrece una visión mecanicista de las arritmias, los cambios en la contractilidad y las vulnerabilidades relacionadas con el envejecimiento, con un nivel de detalle hasta ahora inalcanzable fuera del laboratorio. Además, el modelo permite evaluar mezclas de sustancias químicas, simular la exposición real y ofrecer a los organismos reguladores más datos sobre riesgos específicos para la población, en concreto para las personas de mayor edad.
Del laboratorio a la política
En ALTERNATIVE se identificaron dos rutas de efectos adversos por cardiotoxicidad que han sido aceptadas por la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico(se abrirá en una nueva ventana) para mejorar las normas internacionales basadas en pruebas y formular políticas sobre el uso de sustancias químicas específicas. Una vez finalizado el proyecto, su equipo se centra ahora en publicar los resultados y buscar socios para su comercialización. Componentes como la plataforma microfluídica y los biorreactores con sensores podrían entrar pronto en el mercado como parte de los kits de pruebas de próxima generación. «Mientras tanto, se seguirá optimizando la plataforma y usándose en estudios de seguimiento y en otros proyectos europeos, lo que promoverá una transición hacia unas pruebas de toxicidad relevantes para el ser humano, éticas y precisas», concluye Ciardelli.
