La vida, tal y como la conocemos, se organiza de abajo hacia arriba, a partir de bloques diminutos que se ensamblan y relacionan entre sí para crear ecosistemas más complejos que a su vez acaban interrelacionándose y generando otros ecosistemas aún mayores.
Las células, las bacterias, las mitocondrias, los virus, los exosomas, los metabolitos, las proteínas, y los ácidos nucleicos, pertenecen a escalas dimensionales que van de los centenares de micrómetros al nanómetro. Estas escalas, que gobiernan la mayoría de procesos biológicos, así como la organización de la vida en sistemas de mayor complejidad tales como el propio ser humano, podrían ser la clave para comprender mejor las enfermedades. Aun así, la complejidad y la gran cantidad de dependencias cruzadas existentes entre estos distintos elementos, así como entre ellos y el ambiente físico-químico que los rodea, imposibilita un estudio a fondo en situaciones cuasi reales, en las que todas las condiciones experimentales estén controladas, cuando se utilizan técnicas experimentales clásicas.
Por otro lado, en los últimos 25 años, la capacidad de fabricar estructuras en los dominios micro y nano, utilizando distintos materiales, ha posibilitado el desarrollo de dispositivos miniaturizados que pueden realizar operaciones analíticas complejas o imitar sistemas naturales de forma precisa. Las tecnologías desarrolladas para miniaturizar transistores y fabricar microprocesadores, entre los años 50 y 80, permiten ya, desde hace años, la obtención canales fluídicos microscópicos y objetos mecánicos miniaturizados artificiales integrados en dispositivos de unos pocos centímetros cuadrados.
La continua aparición de nuevas tecnologías y materiales, en sectores tan dispares como los de la industria electrónica o la plástica, junto con una mejor comprensión de los fenómenos físico-químicos a escala molecular, han fomentado, por increíble que parezca, la aparición de nuevas oportunidades en áreas que podrían parecer muy alejadas de estos sectores, como son la química analítica, la medicina o la biotecnología. La fina barrera que separaba las diferentes ciencias e ingenierías en las escalas diminutas ha desaparecido y cada vez son más habituales los equipos multidisciplinares de personas que buscan respuestas a problemas fundamentales concretos o que trabajan para obtener nuevas terapias o herramientas de diagnóstico.
Gracias sobre todo a los avances en micro- y nano-fluídica - entendidas como las ciencias y las tecnologías de sistemas que operan manipulando cantidades de fluido inferiores a los nanolitros utilizando canales de tamaños por debajo de los centenares de micrómetros - lo que antes había requerido los servicios de laboratorios especializados y la disponibilidad de cantidades relativamente grandes de muestras y reactivos, ahora puede potencialmente realizarse en espacios confinados, diminutos y altamente controlados.
Estos dispositivos se conocen como sistemas Lab-on-a-Chip (LOC), sistemas Bio-Micro-Electro-Mecánicos (BioMEMS) o, alternativamente, cuando los dispositivos son de naturaleza puramente analítica, Micro-Sistemas-Totales-de-Análisis (μTAS). Por lo general, éstos integran elementos bioquímicos o biológicos, junto con otros materiales y estructuras físicas, así como elementos ópticos o electrónicos, y su mayor potencial recae en las propiedades de los fluidos cuando se confinan a las escalas micro y nano.
Fenómenos como la mecánica de fluidos, la electrocinética, la difusión, la transferencia de calor y masa, la química de superficie, o la electroquímica, se combinan en estos dispositivos para manipular, seleccionar, detectar y/o medir iones, biomoléculas o células de forma automatizada. Además, al tratarse de escalas en las que trabajan habitualmente los elementos que conforman nuestros cuerpos, en particular los órganos y los sistemas sanguíneo y linfático, la utilización de canales de transporte de estas dimensiones nos proporciona una forma casi natural de imitar y estudiar más a fondo estos sistemas y mejorar la comprensión de los sistemas biológicos.
Sistemas híbridos, incorporando estructuras LOC con proteínas y cultivos in vitro celulares embebidos permiten, actualmente, la reproducción de pequeñas partes de los ecosistemas fisiológicos humanos en chip. Los sistemas micro y nano fluídicos proporcionan plataformas para modelar con precisión situaciones fisiológicas, tanto para la investigación fundamental como para el desarrollo de nuevos fármacos, posibilitando la experimentación masiva sistemática y la substitución, cuanto menos de una parte, de la experimentación animal. Esto es importante para mejorar el entendimiento de funciones biológicas, y de las correspondientes alteraciones producidas por el envejecimiento o las enfermedades, así como para proporcionar nuevas herramientas para la propuesta, la prueba y el desarrollo de nuevos fármacos.
No sólo permiten modelar entornos biológicos, sino que también pueden imitar físicamente tejidos y órganos, así como sistemas más complejos mediante la incorporación de varios de estos elementos. Estos sistemas acoplados de “órganos-en-un-chip” in vitro, realizados mediante técnicas de micro y nano fabricación, incluyendo, más recientemente, las basadas en impresoras 3D, y que contienen pequeñas poblaciones de células humanas, se están desarrollando para abordar los vacíos farmacológicos y fisiológicos existentes entre las monocapas de cultivos celulares, los modelos animales, y los humanos, que limitan severamente la velocidad y la eficiencia del desarrollo de nuevos fármacos.
Así pues estos sistemas podrían tener un papel fundamental en la aceleración de las primeras etapas del descubrimiento de fármacos y contribuir a la reducción de la dependencia de éstas de la experimentación animal, reduciendo costes en un sector achacado por un constante incremento del coste de desarrollo que podría imposibilitar la conveniencia de la realización de terapias extremadamente personalizadas a precios asequibles para el sistema sanitario.
En los próximos años, es de esperar que la explotación del potencial de la miniaturización y de la microfluídica aporte nuevos equipos analíticos de bajo coste y consumo energético, con tiempos menores de separación y reacción en comparación con los actuales, y con una necesidad menor de analitos y reactivos.
La integración de procedimientos químicos sofisticados en sistemas miniaturizados y automatizados generará dispositivos biomédicos seguros, posibilitando el diagnóstico precoz de infinidad de enfermedades en el punto de atención primaria, o incluso en la casa del paciente, así como un seguimiento preciso de los tratamientos aplicados, y contribuyendo a un verdadero círculo virtuoso de medicina personalizada así como a la reducción de los costes en la economía y gestión sanitaria aumentando su calidad.
SOBRE EL AUTOR:
Antoni Homs es profesor en la Universidad de Barcelona (UB) y está contratado como científico en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2). Con un perfil multidisciplinar en distintas áreas de la ciencia y de la tecnología, Antoni trabaja, desde hace más de 15 años, en investigación orientada a la ingeniería biomédica y a la innovación basada en las micro y nano tecnologías, así como en las BioMEMS y en los dispositivos Lab-on-a-Chip.
