Los dispositivos portátiles como los relojes inteligentes y los rastreadores de actividad física interactúan con partes de nuestro cuerpo para medir y aprender de procesos internos, como la frecuencia cardíaca o las etapas del sueño.
Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado dispositivos portátiles que pueden realizar funciones similares para células individuales del cuerpo.
Estos dispositivos sin batería, de tamaño subcelular, fabricados con un polímero blando, están diseñados para envolver suavemente diferentes partes de las neuronas, como axones y dendritas, sin dañar las células, tras su activación con ondas de luz. Al encapsular estrechamente los procesos neuronales, se pueden utilizar para medir o modular la actividad eléctrica y metabólica de una neurona a nivel subcelular.
Debido a que estos dispositivos son inalámbricos y flotan libremente, los investigadores predicen que algún día se podrían inyectar miles de dispositivos diminutos y luego activarlos de forma no invasiva utilizando luz. Los investigadores controlarían con precisión cómo los dispositivos portátiles se envuelven suavemente alrededor de las células, manipulando la dosis de luz que brilla desde el exterior del cuerpo que penetraría en el tejido y activaría los dispositivos.
Al enrollar los axones que transmiten impulsos eléctricos entre las neuronas y a otras partes del cuerpo, estos dispositivos pueden ayudar a restaurar la degradación neuronal que se produce en enfermedades como la esclerosis múltiple. A largo plazo, los dispositivos podrían integrarse con otros materiales para crear pequeños circuitos que puedan medir y modular células individuales.
“El concepto de plataforma y la tecnología que presentamos aquí son una piedra angular que brinda enormes oportunidades para futuras investigaciones”, dice Deblina Sarkar, profesora asistente de desarrollo profesional de AT&T en el MIT Media Lab y el Centro de Ingeniería Neurobiológica, directora del Nano-Cybernetic Biotrek Lab, y Autor principal de un artículo sobre esta técnica.
A Sarkar se unen en el artículo la autora principal Marta JI Airaghi Leccardi, ex postdoctorada en el MIT y ahora becaria de Novartis Innovation; Benoît XE Desbiolles, postdoctorado en el MIT; Anna Y. Haddad ’23, quien fue investigadora universitaria en el MIT mientras trabajaba; y los estudiantes graduados del MIT Baju C. Joy y Chen Song. investigación aparece hoy en Química de las comunicaciones de la naturaleza.
Células bien envueltas
Las células cerebrales tienen formas complejas, lo que hace extremadamente difícil crear un implante bioelectrónico que pueda adaptarse perfectamente a las neuronas o procesos neuronales. Por ejemplo, los axones son estructuras delgadas en forma de cola que se conectan al cuerpo celular de las neuronas, y su longitud y curvatura varían mucho.
Al mismo tiempo, los axones y otros componentes celulares son frágiles, por lo que cualquier dispositivo conectado a ellos debe ser lo suficientemente suave como para hacer un buen contacto sin dañarlos.
Para superar estos desafíos, los investigadores del MIT desarrollaron dispositivos de película delgada a partir de un polímero blando llamado azobenceno, que no daña las células que encierran.
Debido a una transformación del material, las finas láminas de azobenceno girarán cuando se expongan a la luz, lo que les permitirá envolverse alrededor de las células. Los investigadores pueden controlar con precisión la dirección y el diámetro de la rotación cambiando la intensidad y la polarización de la luz, así como la forma de los dispositivos.
Las películas delgadas pueden formar microtubos diminutos con diámetros inferiores a un micrómetro. Esto les permite envolverse suave pero firmemente alrededor de axones y dendritas muy curvados.
“Es posible controlar con mucha precisión el diámetro de la rotación. Puedes detenerte si cuando alcanzas cierta dimensión deseas ajustar la energía luminosa en consecuencia”, explica Sarkar.
Los investigadores experimentaron con varias técnicas de fabricación para encontrar un proceso que fuera escalable y que no requiriera el uso de una sala limpia de semiconductores.
Fabricación de wearables microscópicos
Comienzan depositando una gota de azobenceno sobre una capa de sacrificio compuesta de un material soluble en agua. Luego, los investigadores presionan un sello sobre el punto de polímero para formar miles de pequeños dispositivos encima de la capa de sacrificio. La técnica del estampado les permite crear estructuras complejas, desde rectángulos hasta formas de flores.
Un paso de recocido garantiza que todos los disolventes se evaporen y luego utilizan el grabado para eliminar cualquier material que quede entre los dispositivos individuales. Finalmente, disuelven la capa de sacrificio en agua, dejando que miles de dispositivos microscópicos floten libremente en el líquido.
Una vez que tuvieron una solución de dispositivo flotante, los activaron de forma inalámbrica con luz para inducirlos a girar. Descubrieron que las estructuras flotantes podían conservar su forma durante días después de que se apagara la iluminación.
Los investigadores realizaron una serie de experimentos para garantizar que todo el método fuera biocompatible.
Después de perfeccionar el uso de la luz para controlar la torsión, probaron los dispositivos en neuronas de ratón y descubrieron que podían envolver firmemente incluso axones y dendritas muy curvados sin causar daños.
“Para tener una interfaz íntima con estas células, los dispositivos deben ser suaves y capaces de adaptarse a estas estructuras complejas. Este es el desafío que hemos resuelto en este trabajo. Fuimos los primeros en demostrar que el azobenceno también puede envolverse en células vivas”, afirma.
Uno de los mayores desafíos que enfrentaron fue desarrollar un proceso de fabricación escalable que pudiera realizarse fuera de una sala limpia. También reiteraron el grosor ideal de los dispositivos, ya que hacerlos demasiado gruesos provoca grietas al girar.
Debido a que el azobenceno es un aislante, una aplicación directa es el uso de dispositivos como la mielina sintética para los axones que han sido dañados. La mielina es una capa aislante que envuelve los axones y permite que los impulsos eléctricos viajen de manera eficiente entre las neuronas.
En enfermedades no mielinizantes como la esclerosis múltiple, las neuronas pierden algunas láminas aislantes de mielina. No existe una forma biológica de regenerarlos. Al actuar como mielina sintética, los dispositivos portátiles pueden ayudar a restaurar la función neuronal en pacientes con EM.
Los investigadores también demostraron cómo los dispositivos se pueden combinar con materiales optoeléctricos que pueden estimular las células. Además, se pueden diseñar materiales atómicamente delgados en la parte superior de los dispositivos, que aún se pueden girar para formar microtubos sin romperse. Esto abre posibilidades para integrar sensores y circuitos en dispositivos.
Además, debido a que establecen una conexión tan estrecha con las células, se puede utilizar muy poca energía para estimular las regiones subcelulares. Esto podría permitir a un investigador o médico modular la actividad eléctrica de las neuronas para tratar enfermedades cerebrales.
“Es apasionante demostrar esta simbiosis de un dispositivo artificial con una célula a una resolución sin precedentes. Hemos demostrado que esta tecnología es posible”, afirma Sarkar.
Además de explorar estas aplicaciones, los investigadores quieren intentar funcionalizar las superficies del dispositivo con moléculas que les permitan apuntar a tipos de células o regiones subcelulares específicas.
“Este trabajo es un paso emocionante hacia nuevas interfaces neuronales simbióticas que operan a nivel de axones y sinapsis individuales. Cuando se integran con nanomateriales conductores 1 y 2D a nanoescala, estas láminas de azobenceno sensibles a la luz pueden convertirse en una plataforma versátil para detectar y enviar varios tipos de señales (es decir, eléctricas, ópticas, térmicas, etc.) a neuronas y otros tipos de células de forma mínima o mínima. de forma no invasiva. Aunque preliminares, los datos de citocompatibilidad reportados en este trabajo también son muy prometedores para uso futuro. vivo”, dice Flavia Vitale, profesora asociada de neurología, bioingeniería y medicina física y rehabilitación de la Universidad de Pensilvania, que no participó en el trabajo.
La investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia y la Brain Initiative de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. Este trabajo se realizó, en parte, mediante el uso de las instalaciones de MIT.nano.
(etiquetasTraducido)Deblina Sarkar(s)Usable(s)Proceso(s) neuronal(es)Mielina sintética
Este contenido incluye información obtenida de
