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Controlar el comportamiento celular con imanes
Por primera vez, los investigadores han demostrado un medio para controlar las funciones celulares con una señal física, en lugar de química. Usando un campo magnético para juntar pequeñas perlas dirigidas a receptores celulares particulares, los investigadores de Harvard hicieron que las células absorbieran calcio, luego se detuvieran y luego lo volvieran a tomar. Su trabajo es el primero en demostrar que tal nivel de control sobre las células es posible. Si el enfoque se puede utilizar con muchos tipos de células y funciones celulares, podría conducir a una clase totalmente nueva de terapias que dependan de las propias células para producir y liberar fármacos.
Interruptor de celda: Las células inmunes recubiertas con nanopartículas absorben calcio en presencia de un campo magnético. Cada nanopartícula mide aproximadamente 30 nanómetros de diámetro. En esta imagen, las células amarillas absorben calcio en respuesta a un campo magnético localizado. Las células que están más alejadas del campo se muestran en violeta y no absorben calcio.
La investigación, que apareció en la revista Nanotecnología de la naturaleza , fue dirigido por Donald Ingber , profesor de patología en la Escuela de Medicina de Harvard y copresidente de la Instituto de Harvard para la Ingeniería de Inspiración Biológica . El grupo de Ingber demostró su método para el control biomagnético utilizando un tipo de célula del sistema inmunológico que media las reacciones alérgicas. Se utilizaron nanopartículas dirigidas con núcleos de óxido de hierro para imitar antígenos in vitro. Cada uno está unido a una molécula que, a su vez, puede unirse a un solo receptor en una célula inmunitaria. Cuando Ingber expone las células unidas a estas partículas a un campo magnético débil, las nanopartículas se vuelven magnéticas y se juntan, lo que hace que los receptores celulares adheridos formen grupos. Esto hace que las células absorban calcio. (En el cuerpo, esto iniciaría una cadena de eventos que llevaría a las células a liberar histamina). Cuando el campo magnético se apaga, las partículas ya no se atraen entre sí, los receptores se separan y la afluencia de calcio se detiene. .
No es la química; es la proximidad lo que activa tales receptores, dice Ingber.
El enfoque podría tener un impacto de gran alcance, ya que muchos receptores celulares importantes se activan de manera similar y podrían controlarse utilizando el método de Ingber.
En los últimos años, se ha dado cuenta de que los eventos físicos, no solo los químicos, son importantes para la función celular, dice Shu Chien , bioingeniero de la Universidad de California, San Diego. Los investigadores han probado los efectos de las fuerzas físicas en las células, por ejemplo, aplastándolas entre placas o tirando sondas a través de sus superficies. Pero ninguna de estas técnicas funciona a un nivel de control tan fino como las perlas magnéticas de Ingber, que actúan sobre biomoléculas individuales.
Hasta ahora, no ha habido mucho control [sobre las células] a esta escala, dice Larry Nagahara , gerente de proyectos de la Alianza para la Nanotecnología en el Cáncer del Instituto Nacional del Cáncer y profesor de física en la Universidad Estatal de Arizona.
Muchos fármacos, desde los anticuerpos contra el cáncer hasta las hormonas, actúan activando los receptores celulares. Sin embargo, una vez que una hormona está en la sangre, no es posible encenderla ni apagarla. Esto muestra que puede encender y apagar la señal, y que puede hacerlo instantáneamente, dice Christopher Chen , bioingeniero de la Universidad de Pennsylvania. Eso es algo difícil de hacer, por ejemplo, con un anticuerpo.
Ingber tiene muchas ideas para dispositivos que podrían integrar su método de control celular. Los marcapasos magnéticos podrían usar células en lugar de electrodos para enviar pulsos eléctricos al corazón. Las fábricas de fármacos implantables pueden contener muchos grupos de células, cada una de las cuales produce un fármaco diferente cuando se activa mediante una señal magnética. El control biomagnético podría conducir a computadoras que puedan aprovechar la potencia de procesamiento de las células. Las células hacen cosas complejas como el procesamiento de imágenes mucho mejor que las computadoras, dice Ingber. Ingber, quien inició el proyecto en respuesta a un llamado de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa para nuevas interfaces célula-máquina, reconoce que su trabajo se encuentra en sus primeras etapas. Sin embargo, en cincuenta años, espera que haya dispositivos que interactúen sin problemas entre las células vivas y las máquinas.
Otros investigadores están de acuerdo. El control biomagnético de Ingber puede representar un nuevo mecanismo para las interfaces hombre-máquina, dice Chien de UC San Diego. Pero antes de que se puedan desarrollar tales interfaces, dice el ingeniero Chen de la Universidad de Pensilvania, los investigadores deben aprender mucho más sobre las células.
Digamos que tenemos células en un chip y sabemos qué comportamiento queremos provocar, como hacer que una célula madre ingrese al sitio de una herida e inicie las reparaciones, dice Chen. No sabemos qué eventos de señalización tienen que suceder para poner la celda en el estado correcto para que tome la acción deseada.
A corto plazo, Chen dice que el método de Ingber podría ayudar a los biólogos a obtener conocimientos cruciales sobre la señalización celular, como cómo estas señales son procesadas química y físicamente por la célula, y cómo conducen a resultados particulares, desde la absorción de calcio hasta cambios en la expresión génica. . Proporciona una herramienta que nos permite modificar la celda y ver qué sucede, dice Chen.