Monitorear las señales eléctricas en los sistemas biológicos ayuda a los científicos a comprender cómo se comunican las células, lo que puede ayudar a diagnosticar y tratar afecciones como las arritmias y el Alzheimer.
Pero los dispositivos que registran señales eléctricas en cultivos celulares y otros entornos líquidos suelen utilizar cables para conectar cada electrodo del dispositivo a su amplificador correspondiente. Dado que solo se pueden conectar una cantidad determinada de cables al dispositivo, esto limita la cantidad de sitios de grabación, lo que limita la información que se puede recopilar de las celdas.
Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica de biodetección que elimina la necesidad de cables. En cambio, pequeñas antenas inalámbricas utilizan luz para detectar señales eléctricas diminutas.
Pequeños cambios eléctricos en el entorno líquido circundante cambian la forma en que la antena dispersa la luz. Utilizando un conjunto de diminutas antenas, cada una de aproximadamente una centésima parte del ancho de un cabello humano, los investigadores pueden medir las señales eléctricas intercambiadas entre células con una resolución espacial extrema.
Los dispositivos, que son lo suficientemente duraderos como para registrar señales continuas durante más de 10 horas, pueden 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, acelerar el desarrollo de terapias dirigidas y permitir una mayor precisión en la evaluación de nuevos tratamientos.
“Poder registrar la actividad eléctrica de las células con un alto rendimiento y alta resolución es un verdadero desafío. Necesitamos probar algunas ideas innovadoras y métodos alternativos”, dice el autor principal Benoit Desbaules, ex becario postdoctoral en el MIT Media Lab. “. Papel sobre el equipo.
Jad Hanna, un estudiante entrante del laboratorio de medios, se unió a él en el artículo. el ex alumno visitante Rafael Ausilio; Ex-post Dra. Marta JI Erghi Likardi; Yang Yu, científico de Wright America, Inc.; y la autora principal Deblina Sarkar, profesora asistente de desarrollo profesional de AT&T en el Media Lab y directora del Centro de Ingeniería Neurobiológica del MIT y del Laboratorio Nanocibernético Biotrack. La investigación muestra hoy Avances en la ciencia.
“La bioelectricidad es fundamental para el funcionamiento de las células y de diversos procesos vitales. Sin embargo, registrar con precisión estas señales eléctricas ha sido difícil”, afirma Sarkar. “Las antenas de electrodispersión orgánica (OCEAN) que hemos desarrollado permiten el registro simultáneo de señales eléctricas de forma inalámbrica desde miles de sitios de registro con resolución espacial micrométrica. Esto crea oportunidades sin precedentes para comprender la biología fundamental y alterar la señalización en estados patológicos, así como para la detección el efecto de diferentes tratamientos para permitir nuevos tratamientos”.
Biosensores con luz
Los investigadores se propusieron diseñar un dispositivo de biodetección que no requiriera cables ni amplificadores. Un dispositivo de este tipo sería fácil de usar para los biólogos que tal vez no estén familiarizados con los dispositivos electrónicos.
“Nos preguntamos si podríamos fabricar un dispositivo que convierta las señales eléctricas en luz y luego utilizar un microscopio óptico, que está disponible en todos los laboratorios de biología, para investigar esas señales”, dice Desbiolles.
Inicialmente, utilizaron un polímero especial llamado PEDOT:PSS para diseñar transductores a nanoescala incrustados con pequeños trozos de filamento de oro. Se suponía que las nanopartículas de oro dispersarían la luz, un proceso que sería estimulado y modulado por el polímero. Pero los resultados no coincidieron con su modelo teórico.
Los investigadores intentaron eliminar el oro y, sorprendentemente, los resultados coincidieron mucho con el modelo.
“Resulta que no estábamos midiendo la señal del oro, sino del polímero mismo. Este fue un resultado muy sorprendente pero emocionante. Aprovechamos este hallazgo para desarrollar antenas de electrodispersión orgánica”, dijo.
Las antenas de electrodispersión orgánica, u OCEAN, están compuestas de PEDOT:PSS. Este polímero atrae o repele iones positivos del entorno líquido circundante cuando se produce actividad eléctrica cerca. Esto cambia su configuración química y estructura electrónica, cambiando 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 en el líquido.
Con miles o incluso millones de pequeñas antenas en un conjunto, cada una de sólo 1 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. Debido a que cada antena es un sensor independiente, los investigadores no necesitan ensamblar múltiples contribuciones de antena para monitorear señales eléctricas, razón por la cual OCEAN puede detectar señales con resolución micrométrica.
Diseñados para estudios in vitro, los conjuntos OCEAN están diseñados para que las células puedan cultivarse directamente sobre ellos y colocarse bajo un microscopio óptico para su análisis.
Antenas “en crecimiento” en un chip
La clave del instrumento es la precisión con la que los investigadores pueden crear matrices en las instalaciones del MIT.nano.
Comienzan con un sustrato de vidrio y depositan capas de material conductor y luego aislante encima, cada una de las cuales es ópticamente transparente. Luego utilizan un haz de iones enfocado para cortar cientos de agujeros a nanoescala en las capas superiores del dispositivo. Este tipo especial de haz de iones enfocado permite la nanofabricación de alto rendimiento.
“Este dispositivo es básicamente como un bolígrafo donde puedes dibujar cualquier cosa con una resolución de 10 nanómetros”, afirma.
Sumergen el chip en una solución que contiene bloques de construcción precursores del polímero. Al aplicar una corriente eléctrica a la solución, ese material precursor es atraído hacia pequeños agujeros en el chip, y antenas en forma de hongo “crecen” desde la parte inferior.
Todo el proceso de fabricación es relativamente rápido y los investigadores pueden utilizar la técnica para crear un chip con millones de antenas.
“Esta técnica se puede adaptar fácilmente para que sea completamente escalable. El factor limitante es cuántas antenas podemos obtener imágenes a la vez”, afirma.
Los investigadores optimizaron las dimensiones de la antena y los parámetros ajustables, lo que les dio una sensibilidad lo suficientemente alta como para monitorear señales con voltajes tan bajos como 2,5 milivoltios en experimentos de simulación. Las señales que envían las neuronas para comunicarse suelen rondar los 100 milivoltios.
“Como nos tomamos el tiempo para profundizar y comprender el modelo teórico detrás del proceso, pudimos maximizar la sensibilidad de la antena”, dice.
Los OCEAN también respondieron a señales cambiantes en tan solo unos pocos milisegundos, lo que les permitió registrar señales eléctricas con una dinámica rápida. En el futuro, los investigadores quieren probar los dispositivos con cultivos celulares reales. También quieren remodelar las antenas para que puedan penetrar las membranas celulares, permitiendo una detección de señales más precisa.
Además, quieren estudiar cómo se pueden integrar los OCEAN en dispositivos nanofotónicos, que manipulan la luz a nanoescala para sensores y dispositivos ópticos de próxima generación.
Esta investigación fue financiada, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. y la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia.
