Los humildes lagartos ofrecen un enfoque sorprendente a la ingeniería pulmonar fabricado

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Cuando se trata de estudiar los pulmones, los humanos absorben todo el aire, pero resulta que los científicos tienen mucho que aprender de los lagartos.

Un nuevo estudio de la Universidad de Princeton muestra cómo el lagarto anole marrón resuelve uno de los problemas más complejos de la naturaleza, la respiración, con la mayor sencillez. Mientras que los pulmones humanos se desarrollan durante meses y años hasta convertirse en estructuras arbóreas barrocas, el pulmón anolótico se desarrolla durante unos días en lóbulos rugosos cubiertos con protuberancias bulbosas. Estas estructuras parecidas a calabazas, aunque mucho menos refinadas, permiten que el lagarto intercambie oxígeno por gases de escape tal como lo hacen los pulmones humanos. Y debido a que crecen rápidamente mediante procesos mecánicos simples, los pulmones anormales proporcionan una nueva inspiración para los ingenieros que diseñan biotecnología avanzada.

«Nuestro grupo está realmente interesado en comprender el desarrollo pulmonar con fines de ingeniería», dijo Celeste Nelson, profesora de bioingeniería de la familia Wilke e investigadora principal del estudio. «Si entendemos cómo se construyen los pulmones, entonces quizás podamos explotar los mecanismos que usa la madre naturaleza para regenerar o diseñar tejidos».

Mientras que los pulmones de aves y mamíferos desarrollan una gran complejidad a través de ramificaciones infinitas y señales bioquímicas complicadas, el pulmón marrón de anol forma su complejidad relativamente modesta a través de un proceso mecánico que los autores compararon con una bola de tensión de malla, el juguete común que se encuentra en los cajones de los escritorios. y videos de bricolaje. El estudio, publicado el 22 de diciembre en la revista Science Advances, es el primero en examinar el desarrollo de un pulmón reptil, según los investigadores.

El pulmón de anole comienza a desarrollarse después de unos días como una membrana alargada y hueca rodeada por una capa uniforme de músculo liso. Durante el desarrollo, las células pulmonares secretan líquido y, al hacerlo, la membrana interna se hincha y adelgaza lentamente como un globo. La presión empuja contra el músculo liso, lo que hace que se apriete y se ensanche en haces de fibras que eventualmente forman una red en forma de panal. La presión del líquido continúa empujando la membrana elástica hacia afuera, sobresaliendo a través de los espacios de la red nerviosa y formando bulbos llenos de líquido que cubren el pulmón. Esas protuberancias crean una gran cantidad de superficie donde se produce el intercambio de gases. Y esto es todo. Todo el proceso toma menos de dos días y se completa dentro de la primera semana de incubación. Después de que el lagarto eclosiona, el aire ingresa a la parte superior del pulmón, se arremolina alrededor de las cavidades y luego refluye.

Para los ingenieros que buscan aprovechar los atajos de la naturaleza para la salud humana, esta velocidad y simplicidad representan un paradigma de diseño radicalmente nuevo. El estudio también abre nuevas vías para que los científicos estudien el desarrollo de los reptiles con mucho más detalle.

Cuando Nelson comenzó a estudiar los pulmones de los pollos a fines de la década de 2000, la sabiduría convencional sostenía que «los pulmones de los pollos eran iguales que los pulmones de los ratones eran iguales a los pulmones humanos», dijo Nelson. «Y eso no es cierto.»

Deseosa de alterar estas hipótesis, llevó a su equipo a hacer preguntas fundamentales sobre cómo se construyen los pulmones de diferentes clases de vertebrados. «La arquitectura del pulmón de las aves es increíblemente diferente a la del pulmón de los mamíferos», dijo Nelson. Por ejemplo, en lugar de un diafragma, las aves tienen sacos de aire incorporados en todo el cuerpo que actúan como fuelles.

Para adaptar la exquisita complejidad de los pulmones de las aves a herramientas que pudieran beneficiar la salud humana, Nelson creía que la ciencia necesitaba profundizar aún más. La naturaleza había resuelto el problema del intercambio de gases con dos sistemas radicalmente diferentes. ¿Cómo estaban relacionados? ¿Y no podría haber otros sistemas también? Esto hizo retroceder a su equipo en el tiempo evolutivo en busca de un origen común. Y allí estaba sentado el reptil, haciendo lo que los reptiles hacen tan bien: esconderse a plena vista.

Cuando Michael Palmer se unió al laboratorio como estudiante de posgrado, asumió el desafío de organizar este estudio, literalmente, desde cero. Los caimanes resultaron ser demasiado irascibles. Los anolitos verdes se negaron a reproducirse. Después de años de trabajo preliminar, a fines de 2019 Palmer hizo un viaje a Florida para atrapar anoles marrones salvajes. Él y su compañero se arrastraron por el barro de un parque suburbano, haciendo girar rocas y hojas a lo largo del borde del bosque. Utilizaron trampas hechas de hilo dental para capturar a una docena de individuos y colocarlos en su propio vivero en miniatura. Luego llevaron a los animales del norte de Florida a Princeton, donde los veterinarios de la Universidad y el personal de recursos animales ayudaron al equipo a establecer una instalación permanente para el lagartijo.

Fue entonces cuando Palmer comenzó a observar los huevos para mapear el desarrollo pulmonar de los organismos. Trabajando con Andrej Košmrlj, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial, así como con el estudiante Anvitha Sudhakar, Palmer utilizó sus observaciones para construir un modelo computacional del pulmón y comprender su física.

«Teníamos curiosidad por saber si podíamos aprender algo sobre los conceptos básicos del desarrollo pulmonar estudiando un pulmón tan simple», dijo Palmer, quien tiene su Ph. en ingeniería química y biológica a principios de este año. Había visto evidencia de que el músculo liso desempeñaba un papel esculpido en otros sistemas, pero en este estudio pudo observar cómo funcionaba directamente.

«El pulmón de lagarto se desarrolla utilizando un mecanismo muy físico», dijo Palmer. «Una cascada de tensiones inducidas por presión y deformación inducida por presión». En menos de dos días, el órgano pasa de ser un globo plano a un pulmón completamente formado. Y el proceso es lo suficientemente simple como para que Palmer pudiera usar su modelo computacional para construir una réplica funcional en el laboratorio. Aunque el sistema diseñado no coincidía con toda la complejidad del sistema viviente, estuvo cerca.

Los investigadores lanzaron la membrana utilizando un material de silicona llamado Ecoflex, comúnmente utilizado en la industria del cine para maquillaje y efectos especiales. Luego recubrieron esa silicona con células musculares impresas en 3D para crear los mismos tipos de corrugaciones en la silicona inflada que Palmer había encontrado en el órgano vivo. Encontraron barreras técnicas que limitaron la probabilidad de su creación, pero al final fue inquietantemente similar al órgano vivo.

Esos humildes lagartos del patio trasero habían inspirado un nuevo tipo de pulmón artificial y estructura que los ingenieros pueden perfeccionar para fines futuros incognoscibles.

«Los diferentes organismos tienen diferentes estructuras de órganos, y eso es genial, y podemos aprender mucho de ello», dijo Nelson. «Si nos damos cuenta de que hay mucha biodiversidad que no podemos ver y tratamos de aprovecharla, entonces, como ingenieros, tendremos más herramientas para abordar algunos de los principales desafíos que enfrenta la sociedad».

El documento «Morfogénesis de bolas de estrés: cómo el lagarto construye su pulmón» fue apoyado en parte por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, el Fondo de Tecnología Transformativa Eric y Wendy Schmidt y el Instituto Médico Howard Hughes. Otros autores incluyen a Bryan A. Nerger, Katharine Goodwin, Sandra B. Lemke, Pavithran T. Ravindran y Jared E. Toettcher, profesor asociado de biología molecular.

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