Fusionando biología y electrónica

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Artículo publicado por Peter Reuell el 26 de agosto de 2012 en la Universidad de Harvard

Investigadores cultivan tejidos cibernéticos con nanoelectrónica incrustada.

Científicos de Harvard han creado por primera vez un tipo de tejido “cyborg” incrustando una red tridimensional de cables funcionales, biocompatibles y nanométricos dentro de tejidos humanos artificiales.

Tal como se describe en un artículo publicado el 26 de agosto en la revista Nature Materials, un equipo de investigación liderado por Charles M. Lieber, Profesor Mark Hyman Jr. de química en Harvard, y Daniel Kohane, profesor de la Facultad de Medicina de Harvard en el Departamento de Anestesia del Hospital Infantil de Boston, desarrolló un sistema para crear “andamios” nanométricos que pueden sembrarse con células para cultivar tejidos en ellos.

Cyborg © by runran


“Los actuales métodos que tenemos para monitorizar o interactuar con sistemas vivos son limitados”, dice Lieber. “Podemos usar electrodos para medir la actividad en nuestras células o tejidos, pero eso los daña. Con esta tecnología, por primera vez, podemos trabajar a la misma escala que la unidad de los sistemas biológicos sin interrumpirlos. Finalmente, esto trata de fusionar tejidos con electrónica de una forma en la que es difícil determinar dónde termina el tejido y empieza la electrónica”.

También contribuyen al trabajo Robert Langer, del Instituto Koch en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, y Zhigang Suo, Profesor Allen E. y Marilyn M. Puckett de Mecánica y Materiales en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard.

La investigación aborda una preocupación que se ha asociado desde hace mucho tiempo con el trabajo sobre tejidos de bioingeniería: cómo crear sistemas capaces de sentir cambios químicos o eléctricos en el tejido después de haber sido cultivados e implantados. El sistema podría también representar una solución a los problemas en el desarrollo de métodos para simular directamente tejidos artificiales y medir reacciones celulares.

“En el cuerpo, el sistema nervioso autónomo sigue el rastro del pH, la química, el oxígeno y otros factores, y desencadena  las respuestas necesarias”, dice Kohane. “Tenemos que ser capaces de imitar el tipo de bucles de retroalimentación intrínsecos que ha desarrollado el cuerpo para mantener un control fino a nivel celular y de tejido”.

Usando el sistema nervioso autónomo como inspiración, Bozhi Tian, antiguo estudiante de doctorado de Lieber y becario de posdoctorado en los laboratorios de Kohane y Langer, se unió al estudiante graduado de Harvard Jia Liu en el laboratorio de Lieber para construir redes en malla de cables nanométricos de silicio.

El proceso de construcción de las redes, comenta Lieber, es similar al usado para grabar microchips.

Empezando con un sustrato bidimensional, los investigadores colocaron una malla de un polímero orgánico alrededor de cables nanométricos, lo cual sirvió como elementos sensores críticos. Los electrodos nanométricos, que conectan los elementos de nanocables, se construyeron sobre la malla para permitir a los transistores de nanocables medir la actividad en las células sin dañarlas. Una vez completado, el sustrato se disuelve, dejando a los investigadores una esponja en forma de red, o malla, que pueden plegarse o enrollarse en una multitud de formas tridimensionales.

Una vez completas, las redes eran lo bastante porosas para permitir que el equipo las sembrase de células y hiciera crecer en cultivos 3-D.

“Los anteriores esfuerzos por crear redes sensibles de bioingeniería se había centrado en capas bidimensionales, donde los cultivos celulares crecen sobre componentes electrónicos, o sobre capas conformales, donde las sondas se colocan en la superficie de los tejidos”, dice Tian. “Es deseable tener una descripción precisa del comportamiento celular dentro de la estructura 3-D de un tejido, y también es importante tener sondas nanométricas para evitar interrupciones en la arquitectura celular o tisular”.

Usando células cardiacas y nerviosas, el equipo desarrolló con éxito tejidos con redes nanométricas incrustadas sin afectar a la viabilidad o actividad de la célula. Con dispositivos incrustados, los investigadores pudieron detectar señales eléctricas generadas por células en las profundidades del tejido y medir los cambios en esas señales en respuesta a medicamentos cardio o neuroestimulantes.

También construyeron mediante bioingeiería vasos sanguíneos, y usaron la tecnología incrustada para medir cambios en el pH — como se darían en una respuesta a la inflamación, isquemia y otros entornos celulares o bioquímicos — tanto dentro como fuera de los vasos.

Aunque existe un número de potenciales aplicaciones para la tecnología, el uso más a corto plazo, dice Lieber, puede proceder de la industria farmacéutica , donde los investigadores podrían usarla para estudiar con mayor precisión cómo los medicamentos recientemente desarrollados actúan en los tejidos tridimensionales, en lugar de en finas capas de células cultivadas. El sistema podría usarse también algún día para monitorizar cambios dentro del cuerpo y reaccionar de acuerdo a los mismos, ya sea mediante una estimulación eléctrica o liberando un medicamento.


Autor: Peter Reuell
Fecha Original: 26 de agosto de 2012
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