El producto final:nueve microchips nanovolcánicos en una oblea de vidrio. Crédito:A.Herzog / EPFL
Investigadores de la EPFL y la Universidad de Berna han desarrollado un método innovador para estudiar las señales eléctricas de las células del músculo cardíaco. La tecnología tiene numerosas aplicaciones potenciales en la investigación básica y aplicada, como la mejora de la búsqueda de mecanismos subyacentes a las arritmias cardíacas.
Las células son las unidades vivas más pequeñas del cuerpo humano. Las células excitables como las neuronas y las células del músculo cardíaco (cardiomiocitos) utilizan señales eléctricas, los llamados potenciales de acción, para comunicarse entre sí. Los científicos estudian estas señales subyacentes al funcionamiento normal del cerebro y el corazón mediante electrodos colocados dentro o fuera de la membrana celular. métodos conocidos como registro extracelular e intracelular.
Investigadores del Laboratorio de Microsistemas 4 de EPFL (LMIS4), dirigido por Philippe Renaud, y el Laboratorio de Óptica Celular II de la Universidad de Berna, encabezada por Stephan Rohr, se han asociado para desarrollar un nuevo microelectrodo que penetra la membrana celular sin ayuda y, cuando se coloca en una matriz, permite a los científicos seguir la actividad eléctrica a medida que se propaga a través de los tejidos. Los hallazgos de los investigadores se han publicado en Nano letras .
Tecnología de vanguardia
Si bien los sistemas de registro de la actividad eléctrica celular han evolucionado notablemente a lo largo de los años, todavía tienen limitaciones. Las matrices extracelulares no invasivas de múltiples electrodos que utilizan electrodos colocados fuera de la membrana informan de señales que sólo están indirectamente relacionadas con los potenciales de acción. Les dicen a los científicos poco sobre la forma real del potencial de acción (un aumento transitorio en el potencial de membrana de las células) que hace que el corazón lata. por ejemplo.
Dado que los potenciales de acción celulares fueron medidos por primera vez por Silvio Weidmann del Departamento de Fisiología de la Universidad de Berna hace siete décadas, los científicos han estado midiendo estas señales obteniendo acceso intracelular con microelectrodos. Estos electrodos se pueden empalar en las celdas, o se pueden colocar sobre la membrana celular, después de lo cual se abre la membrana debajo de la boca del electrodo. Esto se puede hacer mecánicamente o por electroporación, la aplicación de pulsos de alto voltaje al electrodo. Esta última técnica se utilizó recientemente para obtener acceso intracelular mediante electrodos nanoestructurados en forma de hongos microscópicos. por ejemplo. Sin embargo, esta metodología no es ideal porque la interfaz entre la membrana celular y la nanoestructura es inestable, dejando sólo una breve ventana, por lo general unos pocos segundos o minutos como máximo, para que los científicos registren los potenciales de acción de las células.
Una matriz de nanovolcanes con un anillo de cultivo celular montado en un microchip. Crédito:A.Herzog / EPFL
Inspirado en la naturaleza
El equipo de EPFL y la Universidad de Berna tomaron las mejores características de las tecnologías existentes y crearon un ingenioso diseño en forma de volcán para solucionar este problema. "Reelaborando la geometría y los materiales, Desarrollamos un electrodo que penetra la membrana celular sin ayuda, eliminando así la necesidad de electroporación, "dice Benoît Desbiolles, asistente de doctorado en LMIS4 y autor principal de la publicación. "También nos basamos en investigaciones anteriores de nuestro laboratorio, lo que demuestra que la imitación de la membrana celular estabiliza la interfaz entre la célula y el electrodo ".
El nuevo tipo de electrodo, acuñado como un nanovolcán, consta de tres partes. El primero es el borde del cráter. Consiste en un anillo de oro del mismo tamaño y revestido con las mismas biomoléculas que la propia membrana celular. Dentro del cráter se encuentra un electrodo de platino que se usa para captar las señales eléctricas. El exterior está rodeado de vidrio aislante. "Una vez que colocas una celda en la estructura y comienza a asentarse, los bordes afilados perforan la membrana y el electrodo penetra en la celda, "explica Desbiolles." En lugar de reformar, la membrana se ancla al anillo de oro, creando las condiciones ideales para registrar la actividad eléctrica de la célula ".
Aplicaciones prometedoras
Usando matrices de nanovolcanes, los científicos pueden medir los potenciales de acción en múltiples ubicaciones en un cultivo celular simultáneamente, proporcionando una gran cantidad de información sobre cómo las células del músculo cardíaco interactúan en el espacio.
"Para los electrofisiólogos como yo, esta tecnología es algo así como un sueño hecho realidad, "dice Stephan Rohr, quien fue coautor de la publicación. "Además de medir el potencial de acción de células individuales, ahora podemos estudiar cómo los potenciales de acción de propagación cambian su forma dependiendo de la estructura del tejido y las condiciones patológicas. Ese conocimiento es vital para una comprensión más profunda de los mecanismos que conducen a arritmias cardíacas potencialmente fatales ".
Los nanovolcanes tienen aplicaciones potenciales mucho más allá de la electrofisiología cardíaca. "Aparte de su innovador diseño, nuestro electrodo también es extremadamente fácil de hacer, "explica Desbiolles. Actualmente se están realizando pruebas para ver si funciona igualmente bien con neuronas y otros tipos de células excitables. Según el joven investigador, el diseño es prometedor para otras disciplinas científicas, también:"Los nanovolcanes abren una puerta al interior de la celda. Es posible que se pueda realizar electroquímica en el interior". La tecnología también podría resultar atractiva para la industria farmacéutica, permitiendo a los científicos probar cómo reaccionan las células a las drogas y, a la larga, Desarrollar terapias dirigidas.