Un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado nanocables que pueden registrar la actividad eléctrica de las neuronas con gran detalle. La nueva tecnología de nanocables podría servir algún día como una plataforma para detectar medicamentos en busca de enfermedades neurológicas y podría permitir a los investigadores comprender mejor cómo se comunican las células individuales en las grandes redes neuronales.

"Estamos desarrollando herramientas que nos permitirán profundizar en la ciencia de cómo funciona el cerebro, "dijo Shadi Dayeh, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego e investigador principal del equipo.

"Prevemos que esta tecnología de nanocables podría utilizarse en modelos cerebrales derivados de células madre para identificar los fármacos más eficaces para las enfermedades neurológicas". "dijo Anne Bang, director de biología celular del Centro Conrad Prebys de Genómica Química del Instituto de Investigación Médica Sanford Burnham.

El proyecto fue un esfuerzo de colaboración entre los laboratorios Dayeh y Bang, neurobiólogos en UC San Diego, e investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y los Laboratorios Nacionales Sandia. Los investigadores publicaron su trabajo el 10 de abril en Nano letras .

Los investigadores pueden descubrir detalles sobre la salud de una neurona, actividad y respuesta a los fármacos midiendo las corrientes de los canales iónicos y los cambios en su potencial intracelular, que se debe a la diferencia en la concentración de iones entre el interior y el exterior de la celda. La técnica de medición de vanguardia es sensible a pequeños cambios potenciales y proporciona lecturas con altas relaciones señal / ruido. Sin embargo, este método es destructivo:puede romper la membrana celular y eventualmente matarla. También se limita a analizar solo una celda a la vez, lo que lo hace poco práctico para estudiar grandes redes de neuronas, que es cómo se organizan naturalmente en el cuerpo.

"Las técnicas de medición de alta sensibilidad existentes no son escalables a estructuras similares a tejidos en 2D y 3D cultivadas in vitro, "Dijo Dayeh." El desarrollo de una tecnología a nanoescala que puede medir cambios potenciales rápidos y diminutos en las redes celulares neuronales podría acelerar el desarrollo de fármacos para enfermedades de los sistemas nerviosos central y periférico ".

La tecnología de nanocables desarrollada en el laboratorio de Dayeh no es destructiva y puede medir simultáneamente cambios potenciales en múltiples neuronas, con la alta sensibilidad y resolución logradas por el estado actual de la técnica.

El dispositivo consta de una matriz de nanocables de silicio empaquetados densamente en un pequeño chip con un patrón de cables de electrodo de níquel que están recubiertos con sílice. Los nanocables penetran dentro de las células sin dañarlas y son lo suficientemente sensibles como para medir pequeños cambios potenciales que son una fracción o unos pocos milivoltios de magnitud. Los investigadores utilizaron los nanocables para registrar la actividad eléctrica de las neuronas que fueron aisladas de ratones y derivadas de células madre pluripotentes inducidas por humanos. Estas neuronas sobrevivieron y continuaron funcionando durante al menos seis semanas mientras estaban interconectadas con la matriz de nanocables. in vitro .

Otra característica innovadora de esta tecnología es que puede aislar la señal eléctrica medida por cada nanoalambre individual. "Esto es inusual en las tecnologías de nanocables existentes, donde varios cables están en cortocircuito eléctrico y no se puede diferenciar la señal de cada cable, "Dijo Dayeh.

Para superar este obstáculo, Los investigadores inventaron un nuevo método de unión de obleas para fusionar los nanocables de silicio con los electrodos de níquel. Su enfoque implicó un proceso llamado silicidación, que es una reacción que une dos sólidos (silicio y otro metal) sin derretir ninguno de los materiales. Este proceso evita que los electrodos de níquel se licúen, extendiendo y cortocircuitando los cables de los electrodos adyacentes.

La silicidación se usa generalmente para hacer contactos con transistores, pero esta es la primera vez que se utiliza para pegar obleas con patrones, Dijo Dayeh. "Y dado que este proceso se utiliza en la fabricación de dispositivos semiconductores, podemos integrar versiones de estos nanocables con electrónica CMOS ”. El laboratorio de Dayeh tiene varias solicitudes de patente pendientes para esta tecnología.

Dayeh señaló que la tecnología necesita una mayor optimización para la detección de drogas en el cerebro en el chip. Su equipo está trabajando para extender la aplicación de la tecnología al cribado de drogas de corazón en chip para enfermedades cardíacas y en vivo mapeo cerebral, que aún faltan varios años debido a los importantes desafíos tecnológicos y biológicos que los investigadores deben superar. "Nuestro objetivo final es traducir esta tecnología en un dispositivo que se pueda implantar en el cerebro".