Investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego y sus colaboradores han desarrollado una técnica que les permite acelerar o ralentizar el crecimiento de las células del corazón humano en un plato a voluntad, simplemente alumbrando con una luz y variando su intensidad. Las células se cultivan en un material llamado grafeno, que convierte la luz en electricidad, proporcionando un entorno más realista que los platos de laboratorio estándar de plástico o vidrio.

El método, descrito en la edición del 18 de mayo de Avances de la ciencia , podría utilizarse para una serie de aplicaciones clínicas y de investigación, incluyendo:probar fármacos terapéuticos en sistemas biológicamente más relevantes, Desarrollar fármacos de uso específico que sean más precisos y tengan menos efectos sistémicos. y creando mejores dispositivos médicos, como marcapasos controlados por luz.

"Cuando lo hicimos funcionar por primera vez en nuestro laboratorio, de repente, tuvimos como 20 personas reunidas alrededor, gritando cosas como '¡Imposible!' y acusándome de hacerles una broma. Nunca habíamos visto algo como esto antes "dijo el primer autor Alex Savchenko, Doctor., científico investigador en el Departamento de Pediatría de la Facultad de Medicina de UC San Diego y el Consorcio de Medicina Regenerativa de Sanford. Savchenko dirigió el estudio con Elena Molokanova, Doctor., CEO de Nanotools Bioscience.

Aunque de alguna manera es simplemente una versión más delgada de grafito ("mina de lápiz"), Las propiedades únicas del grafeno solo se apreciaron realmente hace relativamente poco tiempo, un esfuerzo reconocido con el Premio Nobel de Física 2010, otorgado a Andre Geim, Doctor., y Kostantin Novoselov, Doctor., ambos físicos de la Universidad de Manchester en el Reino Unido. El grafeno es un semi-metal formado por una red de átomos de carbono, el mismo elemento que forma la base de todos los organismos vivos. Parte de lo que hace que el grafeno sea especial es su capacidad para convertir la luz en electricidad de manera eficiente. A diferencia de, el vidrio y el plástico son aislantes, no conducen la electricidad. La mayor parte de la investigación biomédica se basa en células individuales o cultivos celulares que se cultivan en placas de Petri de plástico o en placas de vidrio.

"Sin embargo, en tu cuerpo, no ves muchas superficies actuando como plástico o vidrio, "Dijo Savchenko." En cambio, somos conductores. Nuestros corazones son extremadamente buenos para conducir electricidad. En el cerebro, es la conductividad eléctrica lo que me permite pensar y hablar al mismo tiempo ".

Savchenko, Molokanova y otros investigadores han observado que las células del laboratorio crecen mejor con grafeno que con otros materiales. y se comportan más como lo hacen las células del cuerpo. Savchenko y Molokanova dan crédito a sus antecedentes en física por ayudarlos a ver los sistemas biológicos de manera un poco diferente a la mayoría.

En este estudio, los investigadores generaron células cardíacas a partir de células cutáneas donadas, a través de un tipo de célula intermediaria denominada célula madre pluripotente inducida (iPSC). Luego cultivaron estas células cardíacas derivadas de iPSC en una superficie de grafeno.

Savchenko dijo que el equipo tardó un tiempo en determinar la fórmula óptima basada en grafeno. Luego, tuvieron que encontrar la mejor fuente de luz y la forma de entregar esa luz al sistema de células de grafeno. Pero finalmente encontraron una manera de controlar con precisión la cantidad de electricidad que generaba el grafeno al variar la intensidad de la luz a la que lo exponían.

"Nos sorprendió el grado de flexibilidad, que el grafeno te permite marcar el ritmo de las células literalmente a voluntad, "Dijo Savchenko." ¿Quieres que baten el doble de rápido? No hay problema, solo aumenta la intensidad de la luz. ¿Tres veces más rápido? No hay problema, aumente la densidad de luz o grafeno ".

Savchenko y sus colegas descubrieron que también podían controlar la actividad cardíaca en un organismo vivo (embriones de pez cebra) utilizando grafeno ligero y disperso.

El equipo también se sorprendió por la ausencia de toxicidad, lo que a menudo presenta a los investigadores un gran desafío. "Normalmente, si presenta un nuevo material en biología, esperaría ver una cierta cantidad de células muertas en el proceso, "Dijo Savchenko." Pero no vimos nada de eso. Nos da la esperanza de poder evitar problemas dañinos más adelante. mientras probamos varias aplicaciones médicas ".

Los investigadores están entusiasmados con las múltiples aplicaciones posibles de este nuevo sistema de luz / grafeno. Un uso potencial es la detección de drogas. En la actualidad, los investigadores utilizan tecnología robótica para probar cientos de miles de compuestos químicos, examinándolos por sus habilidades para cambiar el comportamiento de una célula. Los compuestos que tienen el efecto deseado se estudian más a fondo por su potencial como nuevo fármaco terapéutico. Sin embargo, muchos compuestos beneficiosos pueden pasarse por alto porque sus efectos no son evidentes en la condición en la que se cultivan las células de prueba:en plástico, fuera del contexto de la enfermedad.

Por ejemplo, los investigadores pueden probar medicamentos en células cardíacas cultivadas en un plato de laboratorio de plástico estándar. Pero esas células se contraen a su propio ritmo, no modelar las condiciones que podrían existir justo antes de que una persona tenga un ataque cardíaco. Es posible que los medicamentos que prueben en esas células no parezcan hacer nada si dependen del uso, lo que significa que los medicamentos solo tienen un efecto bajo ciertas condiciones.

Para probar esta aplicación, el equipo agregó mexiletina, un medicamento utilizado para tratar los latidos cardíacos irregulares (arritmias), a las células de su corazón. La mexiletina es conocida por ser dependiente del uso; solo tiene efecto cuando hay un aumento en la frecuencia cardíaca, como ocurre durante una arritmia. Los investigadores iluminaron sus células cardíacas con grafeno con luz de diferentes intensidades. Cuanto más rápido latieran las células del corazón, la mejor mexiletina los inhibía.

Por ahora, el equipo se centra en las células cardíacas y las neuronas. Pero están interesados ​​en eventualmente aplicar su sistema de grafeno / luz para buscar medicamentos que maten específicamente las células cancerosas. dejando las células sanas solas. Los investigadores también imaginan el uso del grafeno para encontrar alternativas a los opioides:analgésicos dependientes del uso que solo funcionan cuando y donde una persona tiene dolor. reduciendo así los efectos sistémicos que pueden conducir al uso indebido y la adicción. Finalmente, Savchenko cree que los marcapasos controlados por luz hechos de grafeno podrían ser más seguros y efectivos que los modelos actuales.

Hay mucho trabajo por hacer pero Savchenko es optimista. "Puede exprimir medio año de experimentos con animales en un día de experimentos con este sistema basado en grafeno, " él dijo.