La monitorización de las señales eléctricas en sistemas biológicos ayuda a los científicos a entender cómo se comunican las células, lo cual puede contribuir al diagnóstico y tratamiento de enfermedades como la arritmia y el Alzheimer. Pero los dispositivos que registran señales eléctricas en cultivos celulares y otros entornos líquidos suelen utilizar cables que restringen el número de puntos de registro, lo que limita la información que puede obtenerse de las células.
Investigadores del MIT han desarrollado una técnica de biodetección que elimina la necesidad de cables. En su lugar, unas diminutas antenas inalámbricas utilizan la luz para detectar diminutas señales eléctricas. Los pequeños cambios eléctricos en el medio líquido circundante alteran la forma en que las antenas dispersan la luz. Utilizando un conjunto de antenas diminutas, cada una de ellas de una centésima parte de la anchura de un cabello humano, los investigadores pudieron medir las señales eléctricas intercambiadas entre las células, con una resolución espacial extrema.
Los dispositivos pueden registrar señales de forma continua durante más de 10 horas, podrían ayudar a los biólogos a entender cómo se comunican las células en respuesta a los cambios de su entorno. A largo plazo, estos conocimientos científicos podrían allanar el camino hacia avances en el diagnóstico, estimular el desarrollo de tratamientos específicos y permitir una mayor precisión en la evaluación de nuevas terapias.
Este descubrimiento científico podrían allanar el camino hacia avances en el diagnóstico o estimular el desarrollo de tratamientos específicos
"Poder registrar la actividad eléctrica de las células con un alto rendimiento y una alta resolución sigue siendo un verdadero problema. Tenemos que probar ideas innovadoras y enfoques alternativos", afirmó Benoît Desbiolles, autor principal de un artículo sobre estos dispositivos.
"La bioelectricidad es fundamental para el funcionamiento de las células y los distintos procesos vitales. Sin embargo, registrar estas señales eléctricas con precisión ha sido todo un reto", afirma Deblina Sarkar, autora principal del artículo. "Las antenas orgánicas de electrodispersión (OCEAN) que hemos desarrollado permiten registrar señales eléctricas de forma inalámbrica con una resolución espacial micrométrica desde miles de puntos de registro simultáneamente. Esto puede crear oportunidades sin precedentes para comprender la biología fundamental y la señalización alterada en estados de enfermedad, así como para examinar el efecto de diferentes terapias con el fin de posibilitar tratamientos novedosos."
BIOSENSORES CON LUZ
Los investigadores se propusieron diseñar un dispositivo de biodetección que no necesitara cables ni amplificadores. Al principio, utilizaron un polímero especial para diseñar transductores a nanoescala que incorporaban minúsculos 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 probaron a eliminar el oro y, sorprendentemente, los resultados se ajustaron mucho más al modelo.
"Resulta que no estábamos midiendo señales procedentes del oro, sino del propio polímero. Fue un resultado muy sorprendente pero emocionante. Nos basamos en ese hallazgo para desarrollar antenas orgánicas de electrodispersión", explica. Cuando los investigadores iluminan la antena, la intensidad de la luz cambia en proporción a la señal eléctrica presente en el líquido.
"Este instrumento es básicamente como un bolígrafo en el que se puede grabar cualquier cosa con una resolución de 10 nanómetros"
Las matrices OCEAN son dispositivos con millones de antenas microscópicas que captan señales eléctricas de células con resolución micrométrica. Diseñadas para estudios in vitro, permiten cultivar células directamente sobre ellas y analizarlas bajo un microscopio óptico. Fabricadas en el MIT.nano, combinan materiales conductores, aislantes y tecnología de nanofabricación avanzada. Las antenas en forma de seta “crecen” mediante una corriente eléctrica aplicada a un chip. Este método es rápido y escalable, permitiendo detectar voltajes bajos, como 2,5 mV. OCEAN registra señales rápidas en milisegundos y busca optimizarse para estudios más precisos en cultivos celulares reales en el futuro.
Con miles o incluso millones de antenas diminutas en un conjunto, cada una de ellas de sólo 1 micrómetro de ancho, los investigadores pueden captar la luz dispersa con un microscopio óptico y medir las señales eléctricas de las células con alta resolución. Dado que cada antena es un sensor independiente, los investigadores no necesitan aunar la contribución de múltiples antenas para monitorizar las señales eléctricas, razón por la cual las OCEAN pueden detectar señales con una resolución micrométrica. Destinadas a estudios in vitro, las matrices OCEAN están diseñadas para cultivar células directamente sobre ellas y colocarlas bajo un microscopio óptico para su análisis.
ANTENAS "CRECIENTES" EN UN CHIP
La clave de los dispositivos es la precisión con la que los investigadores pueden fabricar las matrices en las instalaciones del MIT.nano. Empiezan con un sustrato de vidrio y depositan encima capas de material conductor y aislante, cada una de las cuales es ópticamente transparente. A continuación, utilizan un haz de iones focalizado para hacer cientos de agujeros a nanoescala en las capas superiores del dispositivo. Este tipo especial de haz de iones focalizado permite una nanofabricación de alto rendimiento.
"Este instrumento es básicamente como un bolígrafo en el que se puede 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, el material precursor es atraído hacia los diminutos orificios del chip y las antenas en forma de seta "crecen" de abajo 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 podría adaptarse fácilmente para que fuera totalmente escalable. El factor limitante es cuántas antenas podemos visualizar al mismo tiempo", afirma. Los investigadores optimizaron las dimensiones de las antenas y ajustaron los parámetros, lo que les permitió alcanzar una sensibilidad lo bastante alta como para monitorizar señales con voltajes tan bajos como 2,5 milivoltios en experimentos simulados. Las señales que envían las neuronas para comunicarse suelen rondar los 100 milivoltios.
"Como nos hemos tomado el tiempo necesario para profundizar y comprender el modelo teórico que subyace a este proceso, podemos maximizar la sensibilidad de las antenas", afirma. Los OCEAN también respondieron a señales cambiantes en sólo unos milisegundos, lo que les permitió registrar señales eléctricas con cinética rápida. En el futuro, los investigadores quieren probar los dispositivos con cultivos celulares reales. También quieren remodelar las antenas para que puedan penetrar en las membranas celulares, lo que permitiría una detección más precisa de las señales. Además, quieren estudiar cómo podrían integrarse los OCEAN en dispositivos nanofotónicos, que manipulan la luz a nanoescala para sensores y dispositivos ópticos de próxima generación.