Dinámica de Fluidos en Sistemas de Órganos en un Chip

En los últimos años, los sistemas de órgano-en-un-chip (OOC) han llamado la atención por su capacidad de imitar las funciones de los órganos humanos usando dispositivos pequeños. Estos sistemas permiten a los investigadores estudiar cómo responden los órganos a diferentes condiciones, tratamientos y enfermedades. Un aspecto clave de estos dispositivos es cómo se mueven los fluidos a través de ellos, especialmente al usar medios suplementados con suero, como el medio modificado de Eagle de Dulbecco (DMEM) con suero bovino fetal (FBS).

Para crear un ambiente realista para el crecimiento celular, es vital entender cómo se comportan estos fluidos bajo flujo. Muchos experimentos asumen que estos fluidos suplementados con suero tienen un grosor constante, lo cual no siempre es cierto. En este artículo, vamos a hablar sobre el comportamiento complejo del flujo de los medios suplementados con suero y sus implicaciones para los sistemas OOC.

#Importancia de las Propiedades de los fluidos

Las propiedades de los fluidos, como el grosor y cómo responden al flujo, afectan significativamente cómo crecen y funcionan las células en los sistemas OOC. Los fluidos delgados son conocidos como fluidos newtonianos, que tienen un grosor constante sin importar cuán rápido fluyan. En contraste, los Fluidos no newtonianos, como el DMEM con FBS, tienen un grosor que cambia dependiendo de la velocidad del flujo. Esta variación puede llevar a diferentes valores de tensión de corte, lo cual es crucial al simular condiciones reales de los órganos.

La tensión de corte se refiere a la fuerza causada por el movimiento del fluido y puede influir en cómo se comportan las células. Demasiada o muy poca tensión de corte puede tener efectos negativos en el crecimiento y salud celular. Por ejemplo, en los vasos sanguíneos, la tensión de corte puede afectar cómo fluye la sangre y cómo reaccionan las células dentro del vaso, influyendo en varios procesos fisiológicos.

#Entendiendo la Tensión de Corte

La tensión de corte juega un rol importante en cómo las células responden a su entorno. Para las células que naturalmente experimentan tensión de corte, como las células endoteliales en los vasos sanguíneos, es esencial mantener un nivel óptimo. Por otro lado, para las células sensibles a la tensión de corte, es vital minimizar estas fuerzas.

Medir la tensión de corte con precisión dentro de los dispositivos OOC es una tarea compleja pero necesaria. Existen varios métodos para estimar la tensión de corte, incluyendo herramientas en línea de empresas de microfluidos, simulaciones numéricas o cálculos basados en la tasa de flujo y el tamaño del canal conocido. Sin embargo, todos estos enfoques requieren un conocimiento preciso de las propiedades del fluido.

#Comportamiento No Newtoniano de los Medios Suplementados con Suero

El comportamiento de los medios suplementados con suero, como el DMEM con FBS, es complejo. Los métodos tradicionales pueden subestimar el comportamiento de flujo del fluido, lo que puede afectar significativamente los resultados experimentales. Investigaciones anteriores han indicado que tales soluciones nutritivas pueden comportarse como fluidos no newtonianos, lo que significa que su grosor cambia con diferentes condiciones de flujo.

Usando un reómetro de cono y placa, los investigadores midieron la viscosidad del DMEM con diferentes concentraciones de FBS. Los hallazgos mostraron que a medida que aumentaba la concentración de FBS, el grosor del fluido a tasas de flujo más bajas era significativamente mayor de lo que se había reportado previamente en la literatura. Esto indica que usar una suposición de viscosidad constante puede llevar a predicciones incorrectas sobre la tensión de corte que experimentan las células en los sistemas OOC.

#Marco Experimental

Para entender mejor el flujo del fluido, se realizaron experimentos utilizando chips OOC. Estos chips tienen canales apilados separados por una membrana, permitiendo que los fluidos fluyan de manera controlada. Una bomba de jeringa crea el flujo, y los investigadores miden cómo se mueve el fluido a través de estos canales.

Usando métodos como la Velocimetría de Imagen de Partículas (PIV), los científicos pueden visualizar la velocidad y los patrones de flujo dentro del dispositivo OOC. El objetivo es derivar la distribución de velocidad a lo largo del canal y medir cómo varía la tensión de corte con este flujo.

#Resultados de las Medidas de Flujo

Los resultados de estos experimentos revelaron que el DMEM suplementado con FBS exhibe un comportamiento de flujo distinto en comparación con el agua. Mientras que el agua fluye con un patrón predecible, el fluido que contiene FBS produjo un perfil de velocidad más plano. Esto significa que el flujo no se concentra en el centro del canal como lo haría en un fluido newtoniano, llevando a diferentes distribuciones de tensión de corte.

Los datos experimentales ilustraron que la tensión de corte cerca de la membrana, donde ocurre el crecimiento celular, era significativamente mayor de lo que se esperaría si el fluido se comportara como un fluido newtoniano. Esta discrepancia enfatiza la necesidad de un modelado más preciso en la investigación OOC.

#Cálculos de Tensión de Corte y Modelado Teórico

Para entender mejor las diferencias en la tensión de corte, los investigadores compararon las mediciones reales con predicciones teóricas basadas en la suposición de que los medios suplementados con suero se comportan como un fluido newtoniano. Los resultados mostraron una diferencia considerable entre los valores de tensión de corte predichos y los reales.

En los modelos tradicionales, la tensión de corte se relaciona de manera sencilla con la velocidad de flujo. Sin embargo, al aplicar estos modelos a fluidos no newtonianos, la relación se vuelve más compleja. Al analizar el campo de flujo y las distribuciones de tensión de corte, los investigadores pudieron identificar áreas críticas donde ocurrieron concentraciones de tensión de corte.

#Implicaciones para los Sistemas de Órgano-en-un-Chip

Entender cómo varía la tensión de corte en medios suplementados con suero es crucial para desarrollar sistemas OOC funcionales. Los hallazgos de estos experimentos sugieren que usar un modelo simple que asume viscosidad constante puede llevar a resultados engañosos. Esto puede resultar en suposiciones incorrectas sobre cómo reaccionarán las células en los sistemas OOC a diferentes tratamientos o condiciones ambientales.

Modelar con precisión la tensión de corte es necesario para el desarrollo de dispositivos OOC diseñados para aplicaciones específicas, como pruebas de medicamentos o modelado de enfermedades. En estos casos, es importante recrear el entorno natural lo más fielmente posible, incluyendo la dinámica de fluidos que ocurren en órganos reales.

#Reflexiones Finales sobre el Flujo de Fluidos en Dispositivos OOC

En resumen, los medios suplementados con suero como el DMEM con FBS muestran un comportamiento no newtoniano que impacta las características de flujo y la tensión de corte en sistemas OOC. Se necesitan modelos más sofisticados para capturar estas dinámicas de fluidos con precisión. Este entendimiento facilitará avances en el diseño y la aplicación de sistemas OOC, lo que llevará a mejores conocimientos sobre la biología humana y tratamientos médicos mejorados.

A medida que la investigación continúa en esta área, será posible refinar las técnicas de modelado y medición utilizadas para estudiar el comportamiento de fluidos. Esto no solo mejorará los diseños OOC, sino que también mejorará nuestra capacidad para estudiar varios procesos fisiológicos y enfermedades.