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Mejor forma de conectar las celdas
Comprender cómo las células del cerebro y el corazón procesan y generan señales eléctricas podría conducir a una nueva comprensión de las enfermedades neurológicas y cardíacas. Sin embargo, hasta hace unos años, simplemente no era posible realizar registros eléctricos a nivel de celdas individuales. En 2006, los investigadores de Harvard utilizaron transistores de nanocables para medir señales eléctricas en 50 puntos a lo largo de una sola neurona. Ahora, el mismo grupo de investigación ha desarrollado un nuevo sistema de grabación de nanocables y lo ha utilizado para capturar algunas de las grabaciones eléctricas más precisas y de alta calidad jamás realizadas a partir de células cardíacas.
Señales celulares : Las células que crecen en un sustrato de plástico flexible delineado en rojo se colocan sobre una matriz de transistores de nanocables con la ayuda de un microscopio. Otros componentes resaltados con flechas de colores incluyen un sistema de calefacción para mantener las celdas calientes (azul), entradas eléctricas (rojo) y un manipulador para mover las celdas (verde).
El trabajo de Harvard, dirigido por el profesor de química y biología química Charles Querido , está a la vanguardia de la investigación en la integración de la nanotecnología de nanocables y la biociencia, dice Zhong Lin Wang , Profesor de Regents en el Centro de Caracterización de Nanoestructuras, en Georgia Tech.
Los dispositivos a nanoescala que interactúan eléctricamente con las células podrían conducir no solo a una mejor comprensión de los orígenes de la enfermedad, sino también a mejores prótesis neurales y otros dispositivos médicos.
Lieber dice que el objetivo de su laboratorio es fabricar dispositivos eléctricos que interactúen con los tejidos biológicos en una escala biológicamente significativa, en otras palabras, en la nanoescala. Las células procesan señales eléctricas a medida que esas señales viajan a lo largo de una célula; el procesamiento eléctrico subcelular que tiene lugar en las neuronas, por ejemplo, juega un papel importante en el aprendizaje y la memoria normales y anormales. Si uno quiere entender cómo se propagan las señales y por qué no sucede como debería en enfermedades como la epilepsia o las arritmias cardíacas, debe medir a una escala fina, dice Lieber.
Para crear grabaciones a escala tan fina, Lieber utiliza transistores hechos de cables de silicio de solo decenas de nanómetros de diámetro. Los nanocables se cultivan en una cámara de reacción, luego se alinean en una oblea de silicio y se suministran con electrodos metálicos e interconexiones. Hasta ahora, los investigadores han cultivado células en la parte superior de un chip para conectar los nanocables con las células.
Reconocimos que no es necesario que las células crezcan en el sustrato, dice Lieber. En cambio, en la investigación descrita en línea esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , el grupo de Harvard cultiva células en láminas de polímero flexible. Los nanocables en sí son amigables con las células, pero una oblea de silicio rígida no es el lugar más amigable para que crezcan los tejidos biológicos. Al cultivar los tejidos por separado en sustratos de plástico, los investigadores de Harvard pueden hacer mejores muestras de tejido para trabajar. Mejores muestras significa mediciones más significativas. Y debido a que los investigadores de Harvard pueden colocar el tejido sobre los nanocables bajo un microscopio, pueden elegir áreas de tejido particulares o células particulares para registrar. Ser capaz de poner en contacto un grupo de células que ya está creciendo con una matriz de grabación también será fundamental para realizar futuros implantes.
El enfoque modular es bastante elegante, dice Peidong Yang , profesor de química en la Universidad de California, Berkeley. Yang ha utilizado matrices de nanocables para estudiar los efectos de las entradas eléctricas en el desarrollo de células madre.
Hasta ahora, el grupo de Harvard ha utilizado el sistema modular para registrar la actividad eléctrica en los tejidos del corazón latiendo. En un experimento, dice Lieber, pudieron orientar el tejido sobre las matrices de nanocables para realizar grabaciones detalladas de las conexiones eléctricas entre tres células cardíacas. Las velocidades de propagación no son uniformes y dependen de los detalles de su conectividad, dice. Por ejemplo, la conexión entre dos de las celdas mostró más resistencia eléctrica que entre otras.
Para comprender lo que significan estas medidas biofísicas detalladas en términos de salud y enfermedad, será necesario realizar y analizar muchas más. Pero, dice Yang, el trabajo de Lieber muestra que es factible realizar mediciones complejas de alta resolución espacial y temporal.
Este estudio amplía la aplicación de la nanotecnología para la interconexión celular, que es probablemente una de las aplicaciones biológicas más prometedoras de los nanocables, agrega. Nicolás Kotov , profesor de ingeniería química en la Universidad de Michigan. El desarrollo de nanomateriales para este propósito puede ayudar a muchas personas con enfermedades devastadoras relacionadas con la interrupción de la transmisión de señales entre células.
Lieber ahora está utilizando el sistema modular para realizar grabaciones a partir del tejido neural, que es más frágil, y está desarrollando nuevas formas de organizar los nanocables. Una razón por la que estos diminutos cables pueden hacer tan buenas conexiones eléctricas con las células es que una gran cantidad de superficie entra en contacto con el tejido circundante. Al hacer matrices de nanocables con diferentes configuraciones, Lieber espera exponer aún más superficies de los cables para la interacción con las células.
El grupo también está trabajando en dispositivos de nanocables que pueden registrar simultáneamente señales eléctricas y químicas. El trabajo anterior de Lieber ha demostrado que los transistores de nanocables decorados con moléculas de unión pueden actuar como sensores químicos extremadamente sensibles: su conductividad cambia de forma predecible cuando se unen a una molécula de interés, como un neurotransmisor. El registro simultáneo de los efectos de señales eléctricas, hormonas, neurotransmisores y otras sustancias químicas proporcionaría una imagen más integrada de las funciones biológicas.