Los nanomateriales se han utilizado en una variedad de aplicaciones emergentes, como en productos farmacéuticos específicos o para reforzar otros materiales y productos, como sensores y dispositivos de recolección y almacenamiento de energía. Un equipo de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis está utilizando nanopartículas como calentadores para manipular la actividad eléctrica de las neuronas en el cerebro y de los cardiomiocitos en el corazón.

Los resultados, publicado el 3 de julio de 2021, en Materiales avanzados , tienen el potencial de ser traducidos a otros tipos de células excitables y sirven como una valiosa herramienta en nano-neuroingeniería.

Srikanth Singamaneni, un científico de materiales, y Barani Raman, un ingeniero biomédico, y sus equipos colaboraron para desarrollar una tecnología no invasiva que inhibe la actividad eléctrica de las neuronas utilizando nanopartículas de polidopamina (PDA) y luz infrarroja cercana. Las nanopartículas de PDA cargadas negativamente, que se unen selectivamente a las neuronas, absorben la luz del infrarrojo cercano que genera calor, que luego se transfiere a las neuronas, inhibiendo su actividad eléctrica.

"Demostramos que podemos inhibir la actividad de estas neuronas y detener su activación, no solo de vez en cuando, pero de manera escalonada, "dijo Singamaneni, el profesor Lilyan &E. Lisle Hughes en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales. "Al controlar la intensidad de la luz, podemos controlar la actividad eléctrica de las neuronas. Una vez que detuvimos la luz podemos recuperarlos completamente sin ningún daño ".

Además de su capacidad para convertir la luz en calor de manera eficiente, las nanopartículas de PDA son altamente biocompatibles y biodegradables. Las nanopartículas eventualmente se degradan, haciéndolos una herramienta conveniente para su uso en experimentos in vitro e in vivo en el futuro.

Raman, profesor de ingeniería biomédica, compara el proceso con el de agregar crema a una taza de café.

"Cuando viertes crema en el café caliente, se disuelve y se convierte en café cremoso a través del proceso de difusión, ", explicó." Es similar al proceso que controla qué iones entran y salen de las neuronas. La difusión depende de la temperatura, así que si manejas bien el calor, controlas la velocidad de difusión cerca de las neuronas. Esto, a su vez, afectaría la actividad eléctrica de la célula. Este estudio demuestra el concepto de que el efecto fototérmico, convertir la luz en calor, cerca de las proximidades de las neuronas etiquetadas con nanopartículas se puede utilizar como una forma de controlar neuronas específicas de forma remota ".

Para continuar con la analogía del café, el equipo ha diseñado una espuma fototérmica similar a un terrón de azúcar, formando una población densa de nanopartículas en envases ajustados que actúan más rápidamente que los cristales de azúcar individuales que se dispersan, Dijo Raman.

"Con tantos de ellos empaquetados en un volumen pequeño, la espuma es más rápida para transducir la luz en calor y brinda un control más eficiente solo a las neuronas que queremos, ", dijo." No es necesario utilizar energía de alta intensidad para generar el mismo efecto ".

Además, el equipo, que incluye a Jon Silva, profesor asociado de ingeniería biomédica, aplicó las nanopartículas de PDA a los cardiomiocitos, o células del músculo cardíaco. Curiosamente, el proceso fototérmico excitó los cardiomiocitos, mostrando que el proceso puede aumentar o disminuir la excitabilidad en las células dependiendo de su tipo.

"La excitabilidad de una célula o tejido, ya sean cardiomiocitos o células musculares, depende en cierta medida de la difusión, ", Dijo Raman." Si bien los cardiomiocitos tienen un conjunto diferente de reglas, se puede esperar que el principio que controla la sensibilidad a la temperatura sea similar ".

Ahora, el equipo está analizando cómo responden los diferentes tipos de neuronas al proceso de estimulación. Se dirigirán a neuronas particulares uniendo selectivamente las nanopartículas para proporcionar un control más selectivo.