In vitro hydrogel-cell model for pharmacokinetic analysis

Dentro del ojo humano, una sustancia clara y gelatinosa llena el espacio entre el cristalino y la retina, actuando como un cojín protector y una ventana transparente para la luz. Esta sustancia, conocida como humor vítreo, no es solo agua; es una red compleja y de tipo gel que puede atrapar o frenar cualquier cosa que intente moverse a través de ella. Cuando los médicos necesitan tratar enfermedades de la retina, como la retinopatía diabética o la degeneración macular relacionada con la edad, a menudo inyectan medicamentos directamente en este espacio. Sin embargo, para que el tratamiento funcione, el fármaco debe viajar a través de este espeso gel y llegar a las delicadas células de la retina sin quedarse atrapado o descomponerse. Los científicos han luchado durante mucho tiempo para probar qué tan bien se mueven estos medicamentos en un entorno de laboratorio, porque el entorno dentro del ojo es demasiado complejo para ser copiado con simples capas planas de células, y el uso de ojos de animales reales es difícil e inconsistente.

Para resolver esto, investigadores de la Universidad de Liverpool han construido un nuevo tipo de modelo de prueba que imita el interior del ojo con mucha mayor precisión. En lugar de simplemente cultivar células en un plato, crearon un sistema de tres capas: una capa de células retinianas vivas, un gel sintético que se comporta como el humor vítreo y un método para observar el movimiento de partículas diminutas a través de todo ello sin perturbarlas. Su objetivo era comprender cómo la química del fluido y la presencia de células vivas cambian la forma en que los transportadores de fármacos, específicamente pequeñas partículas de oro, viajan hacia su objetivo. Al observar estas partículas en tiempo real, el equipo descubrió que el viaje es mucho más dinámico de lo que se pensaba anteriormente, con la composición del fluido y las propias células creando zonas distintas que ayudan o dificultan el movimiento.

Los investigadores comenzaron abordando un problema fundamental: cómo las proteínas en el fluido afectan el movimiento de las partículas diminutas. En el cuerpo, las partículas están constantemente rodeadas de proteínas que se adhieren a sus superficies, formando un recubrimiento temporal. El equipo probó esto colocando partículas de oro, algunas con carga positiva y otras con carga negativa, en dos líquidos diferentes. Un líquido era una solución nutritiva básica, mientras que el otro estaba enriquecido con proteínas del suero sanguíneo para imitar el entorno biológico. Descubrieron que en el líquido libre de proteínas, las partículas tendían a agruparse con el tiempo, ralentizando significamente su movimiento. Sin embargo, en el líquido rico en proteínas, las proteínas actuaban como un escudo, evitando que las partículas se pegaran entre sí y permitiéndoles moverse libremente. Esto confirmó que la presencia de proteínas es esencial para mantener estos transportadores de fármacos estables y móviles, un hallazgo que es válido independientemente de si las partículas tienen carga positiva o negativa.

A continuación, el equipo introdujo una capa de células retinianas humanas vivas en la mezcla para ver cómo una barrera biológica cambiaría la historia. Cultivaron una lámina apretada de estas células sobre una placa de vidrio y colocaron el gel y las partículas por encima. Cuando rastrearon las partículas cerca de las células, notaron que el entorno se volvía mucho más caótico. Las células mismas secretan diversas moléculas que interactúan con las partículas, creando un recubrimiento único y cambiante que es diferente del formado únicamente por proteínas. Esta interacción aumentó la variedad en la forma en que las partículas se movían, sugiriendo que las células modifican activamente la trayectoria de los transportadores de fármacos. Curiosamente, la distancia de la capa celular importaba menos que la presencia de las células en sí mismas; ya fuera que las partículas estuvieran cerca de las células o un poco más lejos, la complejidad del entorno seguía siendo alta, impulsada por la actividad biológica de las células.

El avance más significativo surgió cuando los investigadores combinaron las células vivas con su gel sintético, el cual fue diseñado para imitar el humor vítreo. Crearon un gel utilizando agar y ácido hialurónico, mezclado con una pequeña cantidad de fluido rico en proteínas para asegurar que las células se mantuvieran saludables. Cuando observaron el movimiento de las partículas a través de este sistema completo, observaron algo extraordinario: las partículas no se movían todas a la misma velocidad. En su lugar, se dividieron en dos grupos distintos. Algunas partículas se movían rápidamente, como si nadaran en aguas abiertas, mientras que otras se movían muy lentamente, como si estuvieran atrapadas en una malla espesa. Esto reveló que el gel no es un bloque uniforme, sino que contiene dos microentornos diferentes: una fase acuosa, de tipo agua, y una fase más densa, de tipo gel. Las partículas eran capaces de navegar por ambas, pero su velocidad dependía enteramente de en qué fase se encontraran en ese momento.

Cuando el equipo añadió la capa de células vivas de nuevo a este sistema de gel, la distribución de las partículas cambió otra vez. Descubrieron que la gran mayoría de las partículas cerca de la capa celular se movían rápidamente en la fase de tipo agua, lo que sugiere que las células crean un límite fluido y claro a su alrededor. A medida que las partículas se alejaban de las células, era más probable que encontraran la fase de tipo gel, más lenta. Este descubrimiento es crucial porque muestra que la interfaz entre las células y el fluido circundante no es una pared sólida, sino una zona dinámica donde las reglas del movimiento cambian. Los investigadores también observaron que la carga de las partículas influía en su comportamiento, siendo las partículas con carga negativa las que generalmente mantenían una trayectoria más fluida que sus contrapartes con carga positiva.

Este nuevo modelo proporciona una herramienta poderosa para que los científicos prueben qué tan bien funcionarán los nuevos sistemas de administración de fármacos antes de que lleguen siquiera a usarse en un paciente. Al replicar las capas complejas del ojo —las células vivas, el fluido rico en proteínas y el gel que compone el humor vítreo—, los investigadores pueden ver exactamente cómo se comportará un transportador de fármacos en un entorno realista. El estudio demuestra que el éxito de un tratamiento no depende solo del fármaco en sí, sino de cómo interactúa con las proteínas del fluido y el entorno creado por las células. Con este entendimiento, los científicos ahora pueden diseñar mejores transportadores que tengan menos probabilidades de quedarse atrapados y más probabilidades de alcanzar su destino, reduciendo potencialmente el número de inyecciones dolorosas que los pacientes necesitan para las enfermedades de la retina. El trabajo ofrece una forma clara y reproducible de estudiar estas interacciones, convirtiendo un misterio biológico complejo en un proceso manejable y observable.