Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon ha creado una nueva tecnología que mejora la capacidad de los científicos para comunicarse con las células neuronales mediante la luz. Tzahi Cohen-Karni, profesor asociado de ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales, dirigió un equipo que sintetizó grafeno difuso tridimensional en una plantilla de nanocables para crear un material superior para células fototérmicas estimulantes. El grafeno difuso tridimensional (3-D) con plantilla NW (NT-3DFG) permite la estimulación óptica remota sin necesidad de modificación genética y utiliza órdenes de magnitud menos de energía que los materiales disponibles. Previniendo el estrés celular.

El grafeno es abundante, barato, y biocompatible. El laboratorio de Cohen-Karni ha estado trabajando con grafeno durante varios años, desarrollando una técnica para sintetizar el material en topologías 3-D que ha etiquetado como grafeno "difuso". Al hacer crecer escamas de grafeno bidimensionales (2-D) fuera del plano en una estructura de nanocables de silicio, son capaces de crear una estructura 3-D con absorción óptica de banda ancha y eficiencia fototérmica incomparable.

Estas propiedades lo hacen ideal para la modulación de electrofisiología celular utilizando luz a través del efecto optocapacitivo. El efecto optocapacitivo altera la capacitancia de la membrana celular debido a los pulsos de luz aplicados rápidamente. NT-3DFG se puede fabricar fácilmente en suspensión, permitiendo el estudio de la señalización celular dentro y entre ambos sistemas celulares 2-D y 3-D, como los organoides basados ​​en células humanas.

Sistemas como estos no solo son cruciales para comprender cómo las células se comunican e interactúan entre sí, pero también tienen un gran potencial para el desarrollo de nuevos intervenciones terapéuticas. Exploración de estas oportunidades, sin embargo, se ha visto limitado por el riesgo de estrés celular que presentan las tecnologías de control remoto óptico existentes. El uso de NT-3DFG elimina este riesgo al usar significativamente menos energía, en una escala de 1-2 órdenes de magnitud menor. Su superficie biocompatible es fácil de modificar químicamente, haciéndolo versátil para su uso con diferentes tipos de células y entornos. Usando NT-3DFG, Se podrían desarrollar tratamientos de estimulación fototérmica para el reclutamiento motor para inducir la activación muscular o podrían dirigir el desarrollo tisular en un sistema organoide.

"Este es un excelente trabajo colaborativo de expertos de múltiples campos, incluida la neurociencia a través de Pitt y UChicago, y fotónica y ciencia de materiales a través de UNC y CMU, ", dijo Cohen-Karni." La tecnología desarrollada nos permitirá interactuar con tejidos diseñados o con tejido nervioso o muscular in vivo. Esto nos permitirá controlar y afectar la funcionalidad de los tejidos utilizando luz de forma remota con alta precisión y pocas energías necesarias ".

Maysam Chamanzar hizo contribuciones adicionales al proyecto, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. La experiencia central de su equipo en fotónica y neurotecnologías ayudó a desarrollar las herramientas tan necesarias para permitir tanto la caracterización de los nanomateriales híbridos únicos, y en la estimulación de las células mientras se registra ópticamente su actividad.

"La absorción de banda ancha de estos nanomateriales tridimensionales nos permitió utilizar luz en longitudes de onda que pueden penetrar profundamente en el tejido para excitar de forma remota las células nerviosas. Este método se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, desde el diseño de terapias no invasivas hasta estudios científicos básicos, "dijo Chamanzar.

Los hallazgos del equipo son importantes tanto para nuestra comprensión de las interacciones celulares como para el desarrollo de terapias que aprovechan el potencial de las propias células del cuerpo humano. Las nanoestructuras creadas con NT-3DFG pueden tener un gran impacto en el futuro de la biología y la medicina humanas.