Por Adam Zewe El monitoreo de señales eléctricas en sistemas biológicos ayuda a los científicos a comprender cómo se comunican las células, lo que puede ayudar en el diagnóstico y tratamiento de afecciones como la arritmia y el Alzheimer. Sin embargo, los dispositivos que registran señales eléctricas en cultivos celulares y otros entornos líquidos suelen utilizar cables para conectar cada electrodo del dispositivo a su respectivo amplificador. Como solo se pueden conectar una cierta cantidad de cables al dispositivo, esto restringe la cantidad de sitios de registro, lo que limita la información que se puede recopilar de las células. Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica de biodetección que elimina la necesidad de cables. En su lugar, diminutas antenas inalámbricas utilizan luz para detectar diminutas señales eléctricas. Pequeños cambios eléctricos en el entorno líquido circundante alteran la forma en que las antenas dispersan la luz. Utilizando una serie de antenas diminutas, cada una de las cuales tiene una centésima parte del ancho de un cabello humano, los investigadores pudieron medir las señales eléctricas intercambiadas entre células, con una resolución espacial extrema. Los dispositivos, que son lo suficientemente duraderos como para registrar señales de forma continua durante más de 10 horas, podrían ayudar a los biólogos a comprender cómo se comunican las células en respuesta a los cambios en su entorno. A largo plazo, estos conocimientos científicos podrían allanar el camino para avances en el diagnóstico, impulsar el desarrollo de tratamientos específicos y permitir una mayor precisión en la evaluación de nuevas terapias. “Ser capaz de registrar la actividad eléctrica de las células con un alto rendimiento y una alta resolución sigue siendo un verdadero problema. Necesitamos probar algunas ideas innovadoras y enfoques alternativos”, afirma Benoît Desbiolles, ex investigador posdoctoral del Media Lab del MIT y autor principal de un artículo sobre los dispositivos . En el artículo colaboran Jad Hanna, estudiante visitante del Media Lab; el ex estudiante visitante Raphael Ausilio; la ex posdoctoral Marta JI Airaghi Leccardi; Yang Yu, científico de Raith America, Inc.; y la autora principal Deblina Sarkar, profesora adjunta de Desarrollo Profesional de AT&T en el Media Lab y el Centro de Ingeniería Neurobiológica del MIT y directora del Laboratorio Nano-Cybernetic Biotrek. La investigación aparece hoy en Science Advances . “La bioelectricidad es fundamental para el funcionamiento de las células y de diferentes procesos vitales. Sin embargo, registrar con precisión estas señales eléctricas ha sido todo un desafío”, afirma Sarkar. “Las antenas de dispersión electroorgánica (OCEAN) que desarrollamos permiten registrar señales eléctricas de forma inalámbrica con una resolución espacial micrométrica desde miles de sitios de registro simultáneamente. Esto puede crear oportunidades sin precedentes para comprender la biología fundamental y la señalización alterada en estados patológicos, así como para analizar el efecto de diferentes terapias para permitir nuevos tratamientos”. Biodetección con luz Los investigadores se propusieron diseñar un dispositivo biosensor que no necesitara cables ni amplificadores. Un dispositivo de este tipo sería más fácil de usar para los biólogos que no estén familiarizados con los instrumentos electrónicos. “Nos preguntamos si podríamos fabricar un dispositivo que convierta las señales eléctricas en luz y luego utilizar un microscopio óptico, del tipo que está disponible en cualquier laboratorio de biología, para analizar estas señales”, dice Desbiolles. Inicialmente, utilizaron un polímero especial llamado PEDOT:PSS para diseñar transductores a escala nanométrica que incorporaban diminutos trozos de filamento de oro. Se suponía que las nanopartículas de oro dispersarían la luz, un proceso que sería inducido y modulado por el polímero. Pero los resultados no coincidían con su modelo teórico. Los investigadores intentaron eliminar el oro y, sorprendentemente, los resultados coincidieron mucho más con el modelo. “Resulta que no estábamos midiendo señales del oro, sino del propio polímero. Fue un resultado muy sorprendente y emocionante. Nos basamos en ese hallazgo para desarrollar antenas de dispersión electroquímica orgánicas”, afirma. Las antenas electrodispersoras orgánicas, u OCEAN, están compuestas de PEDOT:PSS. Este polímero atrae o repele iones positivos del entorno líquido circundante cuando hay actividad eléctrica cerca. Esto modifica su configuración química y estructura electrónica, alterando una propiedad óptica conocida como índice de refracción, que cambia la forma en que dispersa la luz. Cuando los investigadores iluminan la antena, la intensidad de la luz cambia en proporción a la señal eléctrica presente en el líquido. Con miles o incluso millones de antenas diminutas en una matriz, cada una de ellas de tan solo un micrómetro de ancho, los investigadores pueden capturar la luz dispersada con un microscopio óptico y medir las señales eléctricas de las células con alta resolución. Como cada antena es un sensor independiente, los investigadores no necesitan agrupar la contribución de varias antenas para monitorear las señales eléctricas, por lo que los OCEAN pueden detectar señales con una resolución micrométrica. Destinados a estudios in vitro, los arrays OCEAN están diseñados para tener células cultivadas directamente sobre ellos y colocadas bajo un microscopio óptico para su análisis. Antenas “en crecimiento” en un chip La clave de los dispositivos es la precisión con la que los investigadores pueden fabricar conjuntos en las instalaciones de MIT.nano. Comienzan con un sustrato de vidrio y depositan capas de material conductor y aislante encima, cada una de las cuales es ópticamente transparente. Luego utilizan un haz de iones enfocado para cortar cientos de orificios a escala nanométrica en las capas superiores del dispositivo. Este tipo especial de haz de iones enfocado permite la nanofabricación de alto rendimiento. “Este instrumento es básicamente como un bolígrafo con el que puedes grabar cualquier cosa con una resolución de 10 nanómetros”, explica. Sumergen el chip en una solución que contiene los bloques precursores del polímero. Al aplicar una corriente eléctrica a la solución, ese material precursor es atraído hacia los pequeños orificios del chip y las antenas con forma de hongo “crecen” de abajo hacia arriba. Todo el proceso de fabricación es relativamente rápido y los investigadores podrían utilizar esta técnica para fabricar un chip con millones de antenas. “Esta técnica se podría adaptar fácilmente para que sea totalmente escalable. El factor limitante es cuántas antenas podemos captar al mismo tiempo”, afirma. Los investigadores optimizaron las dimensiones de las antenas y ajustaron los parámetros, lo que les permitió lograr una sensibilidad lo suficientemente alta como para monitorear señales con voltajes tan bajos como 2,5 milivoltios en experimentos simulados. Las señales enviadas por las neuronas para la comunicación suelen rondar los 100 milivoltios. “Debido a que nos tomamos el tiempo para profundizar y comprender realmente el modelo teórico detrás de este proceso, podemos maximizar la sensibilidad de las antenas”, afirma. Los OCEAN también respondieron a señales cambiantes en solo unos pocos milisegundos, lo que les permitió registrar señales eléctricas con una cinética rápida. En el futuro, los investigadores quieren probar los dispositivos con cultivos de células reales. También quieren remodelar las antenas para que puedan penetrar las membranas celulares, lo que permitirá una detección de señales más precisa. Además, quieren estudiar cómo los OCEAN podrían integrarse en dispositivos nanofotónicos, que manipulan la luz a escala nanométrica para sensores y dispositivos ópticos de próxima generación. Esta investigación está financiada, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza. La investigación que se informa en este comunicado de prensa recibió el apoyo del Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre (NHLBI) de los Institutos Nacionales de Salud y no representa necesariamente las opiniones oficiales de los NIH.