Diminutas antenas inalámbricas utilizan la luz para monitorizar la comunicación celular
Como parte de un dispositivo de detección y medición de parámetros biológicos en alta resolución y sin cables, las antenas podrían ayudar a los investigadores a descodificar las intrincadas señales eléctricas enviadas por las células.
Por Adam Zewe / MIT News
Para mejorar las técnicas de biodetección que pueden ayudar en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades, los investigadores del MIT han desarrollado unas diminutas antenas inalámbricas que utilizan la luz para detectar señales eléctricas diminutas en entornos líquidos, que se muestran en esta representación. Crédito: Marta Airaghi y Benoit Desbiolles
La monitorización de las señales eléctricas en sistemas biológicos ayuda a los científicos a entender cómo se comunican las células, lo que puede contribuir al diagnóstico y tratamiento de enfermedades como la arritmia y el alzhéimer.
Pero los dispositivos que registran señales eléctricas en cultivos celulares y otros entornos líquidos suelen utilizar cables para conectar cada electrodo del dispositivo a su respectivo amplificador. El número de cables que pueden conectarse al dispositivo restringe el número de puntos de registro, lo que limita la información que puede obtenerse de las células.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, en Estados Unidos, han desarrollado una técnica de biodetección que elimina la necesidad de cables. En su lugar, unas diminutas antenas inalámbricas utilizan la luz para detectar diminutas señales eléctricas.
Medición de señales eléctricas entre cléulas
Los pequeños cambios eléctricos en el medio líquido circundante alteran la forma en que las antenas dispersan la luz. Empleando un conjunto de antenas diminutas, cada una de ellas de una centésima parte del calibre de un cabello humano, los investigadores pudieron medir las señales eléctricas intercambiadas entre las células, con una resolución espacial extrema.
Los dispositivos, que son lo bastante duraderos como para registrar señales de forma continua durante más de diez horas, podrían ayudar a los biólogos a entender cómo se comunican las células en respuesta a los cambios de su entorno. A largo plazo, estos conocimientos científicos podrían allanar el camino hacia avances en el diagnóstico, estimular el desarrollo de tratamientos específicos y permitir una mayor precisión en la evaluación de nuevas terapias.
«Ser capaz de registrar la actividad eléctrica de las células con alto rendimiento y alta resolución sigue siendo un verdadero problema. Necesitamos probar algunas ideas innovadoras y enfoques alternativos», dice Benoît Desbiolles, expostdoctorado en el MIT Media Lab y autor principal de un artículo sobre los dispositivos.
La bioelectricidad, fundamental para el funcionamiento de las células
Está acompañado en el artículo por Jad Hanna, un estudiante visitante en el Media Lab; el ex estudiante visitante Raphael Ausilio; la expostdoctorada Marta J. I. Airaghi Leccardi; Yang Yu, científico en Raith America, Inc.; y el autor principal Deblina Sarkar, profesora asistente de Desarrollo de Carrera de AT&T en el Media Lab y el Centro de Ingeniería Neurobiológica del MIT y directora del Nano-Cybernetic Biotrek Lab. La investigación aparece publicada en Science Advances.
«La bioelectricidad es fundamental para el funcionamiento de las células y diferentes procesos vitales. Sin embargo, registrar tales señales eléctricas con precisión ha sido un desafío —dice Sarkar. Y añade—: Las antenas de dispersión electroóptica orgánica (OCEAN) que desarrollamos permiten el registro de señales eléctricas de manera inalámbrica con una resolución espacial micrométrica desde miles de sitios de grabación simultáneamente».
En palabras de Sarkar, este avance «puede crear oportunidades sin precedentes para entender la biología fundamental y la señalización alterada en estados de enfermedad, así como para evaluar el efecto de diferentes terapias para habilitar nuevos tratamientos».
Sin cables ni amplificadores
Los investigadores se propusieron diseñar un dispositivo de biodetección que no necesitara cables ni amplificadores. Un ingenio así sería más fácil de usar para los biólogos que no estén familiarizados con los instrumentos electrónicos.
«Nos preguntamos si podríamos fabricar un dispositivo que convirtiera las señales eléctricas en luz, y luego utilizar un microscopio óptico, del tipo que está disponible en todos los laboratorios de biología, para sondear estas señales», explica Desbiolles.
Al principio, utilizaron un polímero especial llamado PEDOT:PSS para diseñar transductores a nanoescala que incorporaban minúsculos trozos de filamento de oro. Se suponía que las nanopartículas de oro dispersarían la luz, un proceso que sería inducido y modulado por el polímero. Pero los resultados no coincidían con su modelo teórico.
Proyectar luz sobre la antena
Los investigadores probaron a eliminar el oro, y, sorprendentemente, los resultados se ajustaron mucho más al modelo.
«Resulta que no estábamos midiendo señales procedentes del oro, sino del propio polímero. Fue un resultado muy sorprendente pero emocionante. Nos basamos en ese hallazgo para desarrollar antenas orgánicas de electrodispersión», aclara Desbiolles.
Las OCEAN están compuestas por PEDOT:PSS. Este polímero atrae o repele iones positivos del entorno líquido circundante cuando hay actividad eléctrica cercana. Esto modifica su configuración química y estructura electrónica, alterando una propiedad óptica conocida como su índice de refracción, lo que cambia la manera en que dispersa la luz.
Cuando los investigadores proyectan luz sobre la antena, la intensidad de la luz cambia en proporción a la señal eléctrica presente en el líquido.
El brillo de la luz dispersada por las diminutas antenas desarrolladas por los investigadores, denominadas OCEAN, cambia en respuesta a los cambios de las señales eléctricas en el medio líquido que las rodea, como se muestra aquí. Captando y midiendo la luz con un microscopio óptico, los investigadores pudieron descodificar las intrincadas señales utilizadas para la comunicación celular. Gif: cortesía de las autores
Con miles o incluso millones de pequeñas antenas en una matriz, cada una de solo 1 micrómetro de ancho, los investigadores pueden capturar la luz dispersa con un microscopio óptico y medir señales eléctricas de las células con alta resolución.
Dado que cada antena es un sensor independiente, los investigadores no necesitan combinar la contribución de múltiples antenas para monitorear las señales eléctricas, lo que explica por qué los OCEAN pueden detectar señales con resolución micrométrica.
Diseñadas para estudios in vitro, las matrices de OCEAN están pensadas para que las células se cultiven directamente sobre ellas y se coloquen bajo un microscopio óptico para análisis.
«Cultivando» antenas en un chip
Clave para los dispositivos es la precisión con la que los investigadores pueden fabricar matrices en las instalaciones de MIT.nano. Comienzan con un substrato de vidrio y depositan, primero, capas de material conductor y, luego, aislante encima. Cada una de ellas es ópticamente transparente.
Después utilizan un haz de iones enfocados para cortar cientos de agujeros a escala nanoscópica en las capas superiores del dispositivo. Este tipo especial de haz de iones enfocados permite una nanofabricación de alto rendimiento.
«Este instrumento es básicamente como un bolígrafo con el que se puede grabar cualquier cosa con una resolución de 10 nanómetros», explica Desbiolles.
Sumergen el chip en una solución que contiene los bloques precursores del polímero. Al aplicar una corriente eléctrica a la solución, el material precursor es atraído hacia los diminutos orificios del chip y las antenas en forma de seta crecen de abajo arriba.
Un chip con millones de antenas
Todo el proceso de fabricación es relativamente rápido, y los investigadores podrían utilizar esta técnica para fabricar un chip con millones de antenas.
«Esta técnica podría adaptarse fácilmente para que fuera totalmente escalable. El factor limitante es cuántas antenas podemos visualizar al mismo tiempo», afirma Desbiolles.
Los investigadores optimizaron las dimensiones de las antenas y ajustaron los parámetros, lo que les permitió alcanzar una sensibilidad lo bastante alta como para monitorizar señales con voltajes tan bajos como 2,5 milivoltios en experimentos simulados. Las señales que envían las neuronas para comunicarse suelen rondar los 100 milivoltios.
«Como nos hemos tomado el tiempo de profundizar y comprender el modelo teórico que subyace a este proceso, podemos maximizar la sensibilidad de las antenas», explica Desbiolles.
Los OCEAN también respondieron a señales cambiantes en solo unos milisegundos, lo que les permitió registrar señales eléctricas con cinética rápida. En el futuro, los investigadores quieren probar los dispositivos con cultivos celulares reales. También quieren remodelar las antenas para que puedan penetrar en las membranas celulares, lo que permitiría una detección más precisa de las señales.
Además, pretenden estudiar cómo podrían integrarse los OCEAN en dispositivos nanofotónicos, que manipulan la luz a nanoescala para sensores y dispositivos ópticos de próxima generación. ▪️
Artículo publicado con el permiso de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías
Fuente: Benoit Desbiolles et al. Organic electro-scattering antenna: Wireless and multisite probing of electrical potentials with high spatial resolution. Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adr8380
