Usando un dispositivo novedoso hecho de átomos de carbono y un láser, los investigadores capturaron señales eléctricas en tiempo real del tejido muscular.
Cuando Allister McGuire estaba trabajando en su doctorado en la Universidad de Stanford, compró muchos huevos de gallina fertilizados en Trader Joe’s. McGuire no estudia pollos; él es químico y estaba comprando huevos porque estaba desarrollando un dispositivo para obtener imágenes de la actividad eléctrica en los corazones que latían. Los corazones de embriones de pollo resultaron ser muy adecuados para probarlo.
Bueno, tal vez no los incubados de estos huevos en particular. “Esos no salieron muy bien”, recuerda.
En un experimento de prueba de principio descrito en Nano Letras En junio, McGuire y un grupo de físicos de UC Berkeley detallaron cómo crearon y finalmente usaron con éxito una “cámara” para registrar la actividad eléctrica en células vivas, que puede ser difícil de monitorear en tejidos grandes en tiempo real usando otros métodos.
No es una cámara óptica; éste está hecho de átomos de carbono y láseres. Para construirlo, el equipo comenzó con una hoja de carbono extremadamente delgada, formada por una sola capa de átomos dispuestos en un patrón de panal. Esto se llama grafeno. La reflectividad del grafeno cambia cuando se expone a campos eléctricos: se vuelve más como un espejo que refleja la luz muy bien o más como un objeto oscuro que no refleja la luz en absoluto.
Para probar qué tan bien podía registrar la actividad eléctrica de los tejidos vivos, el equipo utilizó músculo cardíaco cultivado a partir de embriones de pollo. (Eventualmente, McGuire se dio cuenta de que los óvulos de un distribuidor biomédico funcionaban mejor). Los investigadores colocaron el tejido del corazón latente encima de la hoja de grafeno y observaron cómo la señal eléctrica (un voltaje y un campo eléctrico) que controla los latidos del corazón podría generar la reflectividad de la hoja cambia. Siempre que se desarrollaba voltaje dentro de una celda, creían, el campo eléctrico que la acompañaba cambiaba la cantidad de luz que regresaba del grafeno debajo de ella. Luego colocaron un láser para arrojar luz constantemente sobre la hoja y midieron cuánto rebotaba. De hecho, después de agregar un dispositivo de carga acoplada muy sensible que convierte las propiedades de la luz en señales digitales, finalmente produjeron imágenes de la actividad eléctrica del corazón.
Los biólogos han estado interesados durante mucho tiempo en medir la actividad eléctrica no solo en el músculo cardíaco vivo, sino también en las células cerebrales. En estos tejidos, las células deben utilizar señales eléctricas para comunicarse o sincronizar su comportamiento. “Cada célula tiene una membrana a su alrededor, y la membrana está hecha de una sustancia aislante grasosa, de lípidos. El agua, las soluciones acuosas en ambos lados de la membrana, son básicamente conductores ”, dice Adam Cohen, profesor de química, biología química y física en la Universidad de Harvard que no formó parte del experimento. «Muchas células utilizan el voltaje a través de la membrana como una forma de enviar señales muy rápido y coordinar la actividad».
Los científicos pueden tomar estas medidas con conjuntos de microelectrodos (redes de tubos diminutos) insertados en las membranas celulares. Pero este enfoque es limitado. Los investigadores solo pueden determinar el voltaje en las celdas específicas a las que se les ha insertado un electrodo.
“Registrar el voltaje de un punto, digamos, en el cerebro, es un poco como tratar de ver una película mirando un píxel en la pantalla de su computadora. Puedes saber cuándo están sucediendo las cosas, pero realmente no puedes ver la trama, no puedes ver las correlaciones de información en diferentes puntos del espacio ”, dice Cohen. El nuevo dispositivo de grafeno produce una imagen más completa porque registra voltajes en cada punto donde se tocan el tejido y los átomos de carbono.
“Lo que podemos hacer usando nuestro dispositivo de grafeno es obtener imágenes de toda la superficie simultáneamente”, dice Halleh Balch, autor principal del estudio, quien era estudiante de doctorado en Berkeley durante el experimento. (Actualmente es investigadora postdoctoral en Stanford). Esto es en parte una consecuencia de la naturaleza única del grafeno. “El grafeno es atómicamente delgado, lo que lo hace sumamente sensible al entorno local, porque básicamente cada parte de su superficie es una interfaz”, dice ella. El grafeno también conduce bien la electricidad y es bastante resistente, lo que lo ha convertido en un favorito experimental durante mucho tiempo entre los físicos cuánticos y los científicos de materiales.
Pero en el campo de la detección biológica, es más un recién llegado. “El método en sí es bastante interesante. Es novedoso, en el sentido en que se usa el grafeno ”, dice Gunther Zeck, físico de la Universidad Técnica de Viena que no participó en el estudio. Ha trabajado con microelectrodos en el pasado y sospecha que los dispositivos basados en grafeno pueden convertirse en una competencia real para ellos en el futuro. La fabricación de matrices de microelectrodos grandes puede ser muy compleja y costosa, dice Zeck, pero fabricar grandes láminas de grafeno podría ser más práctico. El nuevo dispositivo mide aproximadamente 1 centímetro cuadrado, pero ya se encuentran disponibles comercialmente láminas de grafeno miles de veces más grandes. Utilizándolos para hacer «cámaras», los científicos podrían rastrear los impulsos eléctricos a través de órganos más grandes.
Durante más de una década, los físicos han sabido que el grafeno es sensible a voltajes y campos eléctricos. Pero combinar esa percepción con las realidades desordenadas de los sistemas biológicos presentó desafíos de diseño. Por ejemplo, debido a que el equipo no insertó grafeno en las células, tuvieron que amplificar el efecto de los campos eléctricos de las células sobre el grafeno antes de registrarlo.
El equipo se basó en su conocimiento de la nanofotónica, tecnologías que utilizan la luz a nanoescala, para traducir incluso los cambios débiles en la reflectividad del grafeno en una imagen detallada de la actividad eléctrica del corazón. Colocaron grafeno sobre una guía de ondas, un prisma de vidrio recubierto con óxidos de silicio y tántalo, que creaba un camino en zigzag para la luz. Una vez que la luz golpeó el grafeno, entró en la guía de ondas, que la devolvió al grafeno, y así sucesivamente. «Esto ha mejorado la sensibilidad que tenemos, porque atraviesas la superficie del grafeno varias veces», dice Jason Horng, coautor del estudio y compañero de laboratorio de Balch durante su doctorado. «Si el grafeno tiene algún cambio en la reflectividad, entonces ese cambio se amplificará». Esta ampliación significó que se podían detectar pequeños cambios en la reflectividad del grafeno.
El equipo también logró capturar el movimiento mecánico de todo el corazón: el aplastamiento de todas las células al comienzo de un latido y su relajación posterior. A medida que las células del corazón pulsaban, se arrastraban contra la hoja de grafeno. Eso provocó que la luz que salía de la superficie del grafeno se refractara ligeramente, además de los cambios que los campos eléctricos de las células ya estaban teniendo en su reflectividad. Esto llevó a una observación interesante: cuando los investigadores utilizaron un fármaco inhibidor muscular llamado blebbistatina para evitar que las células se movieran, sus grabaciones basadas en luz mostraron que el corazón se había detenido, pero el voltaje aún se propagaba a través de sus células.
Un uso futuro de la «cámara» de grafeno podría ser para probar compuestos farmacológicos similares, dice McGuire. «Existe todo un mundo de medidas de seguridad farmacéutica, en el que quieren comprender cómo un nuevo fármaco potencial afecta a las células del corazón», dice. “Las dos grandes cosas que están buscando son cómo afecta la contractilidad, la fuerza y la frecuencia del latido de las células, y cómo afecta el potencial de acción. [voltage]. «
La mayoría de los métodos actuales, agrega Balch, requieren el uso simultáneo de dos dispositivos, como un electrodo y una galga extensométrica, para responder ambas preguntas al mismo tiempo. El dispositivo de su equipo, por el contrario, registra toda esa información por sí mismo.
Si bien es probable que el grafeno siga siendo un jugador importante en la biodetección, el nuevo diseño necesitará más trabajo en equipo entre la física y la biología antes de que sea práctico de usar más allá del laboratorio. «El grafeno y otros materiales bidimensionales tienen grandes posibilidades de aplicaciones variables», dice Dmitry Kireev, investigador de bioelectrónica de la Universidad de Texas en Austin que no participó en el estudio. “Puedes combinarlos, puedes hacerlos variables y flexibles, y no cambian sus propiedades. Puede tenerlos in vivo, en la piel, en todo tipo de aplicaciones «. En su propia investigación, incluso diseña grafeno portátil «tatuajes”Para medir el pulso y los niveles de oxígeno en sangre.
Kireev dice que el grafeno es menos tóxico que muchos dispositivos de chip de silicio existentes, lo que lo convierte en un buen candidato para los implantes que usan los pacientes durante períodos de tiempo más largos para registrar la actividad eléctrica dentro de sus corazones o cerebros. Debido a que el grafeno es delgado pero no se rompe fácilmente, dice, podría ser una buena combinación para los cuerpos humanos, porque es poco probable que desencadene una respuesta del sistema inmunológico que intente construir tejido cicatricial sobre él. “El cuerpo comprende que cuando hay algo rígido en su interior, que no te pertenece, trata de expulsarlo”, explica Kireev. «Grafeno es tan delgado que el cuerpo no lo percibiría como extraño «.
Al mismo tiempo, la complejidad del nuevo dispositivo, que se basa en láseres y otros componentes necesarios para controlar la luz, le parece una limitación. A Kireev le resulta difícil imaginar cómo exactamente toda la «cámara» podría interactuar con un paciente para, por ejemplo, determinar la actividad eléctrica relacionada con una arritmia o latidos cardíacos irregulares, o estudiar los efectos a largo plazo de un medicamento para el corazón. Si bien la capacidad del dispositivo para obtener imágenes de todas las células del corazón a la vez sería una ventaja, su tamaño y complejidad dificultarían su uso en cualquier caso, dice.
Horng está de acuerdo, pero cree que el voluminoso prisma debajo del grafeno podría cambiarse por un elemento de control de luz más delgado para hacer que el dispositivo sea más compacto, posiblemente lo suficientemente pequeño como para ser portátil o incluso insertado en el cerebro. También cree que el ajuste fino de las propiedades de la guía de ondas podría hacer que las imágenes producidas por el dispositivo sean más detalladas y nítidas.
Dicho esto, los próximos pasos probablemente vendrán de un equipo diferente. Desde entonces, los tres investigadores del artículo se graduaron y pasaron a nuevos proyectos. McGuire ahora trabaja como ingeniero de dispositivos médicos, y Horng y Balch están diseñando sensores basados en nanofotónica para aplicaciones fuera de la biología. Sin embargo, todos todavía están entusiasmados con su diseño y esperan ver si sus sucesores en Stanford y Berkeley lo avanzarán. «Tengo mucho cariño por toda la idea», dice McGuire. «Y creo que sería fantástico si alguien lo llevara adelante».
