Un equipo liderado por ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado un nanocable que pueden registrar la actividad eléctrica de las neuronas en detalle. El equipo cree que la nueva tecnología podría un día servir como una plataforma para fabricar fármacos para las enfermedades neurológicas y permitir a los investigadores a comprender mejor cómo las células individuales se comunican en grandes redes neuronales.
«Estamos desarrollando herramientas que nos permitirán profundizar en la ciencia de cómo funciona el cerebro«, dijo Shadi Dayeh, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y el investigador líder del equipo.
«Creemos que esta tecnología del nanocable podría ser utilizada en los modelos cerebrales derivados de las células madre para identificar los medicamentos más eficaces para las enfermedades neurológicas«, afirma Anne Bang, directora de biología celular en el Conrad Prebys Center for Chemical Genomics at the Sanford Burnham Medical Research Institute.
El proyecto fue un esfuerzo de colaboración entre los laboratorios Dayeh y Bang, los neurobiólogos de UC San Diego y los investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y los Laboratorios Nacionales Sandia. Los investigadores publicaron su trabajo el 10 de abril en Nano Letters.
Los investigadores pueden descubrir detalles sobre la salud de una neurona, la actividad y la respuesta a los medicamentos mediante la medición de las corrientes de los canales de iones y los cambios en su potencial intracelular, que se debe a la diferencia en la concentración de iones entre el interior y el exterior de la célula. La técnica de medición de vanguardia es sensible a pequeños cambios de potencial y proporciona lecturas con altas relaciones señal-ruido. Sin embargo, este método es destructivo, puede romper la membrana celular y, finalmente, matar a la célula. También se limita a analizar solo una célula cada vez, por lo que es poco práctico para el estudio de grandes redes de neuronas, que son la forma en que están naturalmente dispuestos en el cuerpo.
«Las técnicas de medición de alta sensibilidad existentes no son escalables a las estructuras en forma de tejido 2D y 3D cultivadas in vitro», dijo Dayeh. «El desarrollo de una tecnología a escala nanométrica que puede medir cambios rápidos y minuciosos potenciales en las redes celulares neuronales podría acelerar el desarrollo de fármacos para las enfermedades del sistema nervioso central y periférico«.
La tecnología nanocable desarrollada en el laboratorio de Dayeh es no destructiva y puede medir simultáneamente los cambios potenciales en múltiples neuronas, con la alta sensibilidad y resolución obtenidas por el estado actual de la técnica.
El dispositivo consiste en una serie de nanocables de sílice densamente empaquetados en un pequeño chip con un patrón de electrodos de níquel que están recubiertos con sílice. Los nanofuegos penetran dentro de las células sin dañarlas y son lo suficientemente sensibles para medir pequeños cambios potenciales que son una fracción o unos pocos milivoltios en magnitud. Los investigadores utilizaron los nanocables para registrar la actividad eléctrica de las neuronas que se aislaron de ratones y derivaron de células madre pluripotentes inducidas por humanos. Estas neuronas sobrevivieron y continuaron funcionando durante al menos seis semanas mientras estaban en comunicación con la matriz de nanocables in vitro.
Otra característica innovadora de esta tecnología es que puede aislar la señal eléctrica medida por cada nanocable individual. «Esto es inusual en las tecnologías existentes del nanocable, donde varios alambres son eléctricamente estimulados a la vez y usted no puede diferenciar la señal de cada nanocable en particular,» Dayeh dijo.
Para superar este obstáculo, los investigadores inventaron un nuevo método de unión en obleas para fusionar los nanocables de sílice con los electrodos de níquel. Su enfoque involucró un proceso llamado silicidación, que es una reacción que une dos sólidos (sílice y otro metal) juntos sin derretir ninguno de los materiales. Este proceso evita que los electrodos de níquel se derritan, se extienda y cortocircuite los electrodos adyacentes del electrodo.
La silicidación se utiliza generalmente para hacer contactos a los transistores, pero esta es la primera vez que se utiliza para hacer la vinculación de una oblea patrón, dijo Dayeh. «Y como este proceso se utiliza en la fabricación de dispositivos semiconductores, podemos integrar versiones de estos nanocables con la electrónica CMOS«. El laboratorio de Dayeh tiene varias solicitudes pendientes de patentes para esta tecnología.
Dayeh señaló que la tecnología necesita una mayor optimización para el cribado de fármacos para el cerebro sobre un chip. Su equipo está trabajando para extender la aplicación de la tecnología a la detección de cáncer cardíaco en las enfermedades cardíacas y la cartografía cerebral in vivo, que todavía está a varios años de distancia debido a importantes desafíos tecnológicos y biológicos que los investigadores necesitan superar. «Nuestro objetivo final es traducir esta tecnología a un dispositivo que se puede implantar en el cerebro«.
