Un gran avance para la neurociencia inspirado en el kirigami
El desarrollo de organoides derivados de células madre pluripotentes inducidas ha revolucionado la investigación neurocientífica, ya que permiten observar la compleja organización celular del cerebro humano. Los organoides son réplicas diminutas de órganos humanos, como por ejemplo el cerebro o los ganglios sensoriales, que simulan las complejidades estructurales y las predisposiciones genéticas de los órganos originales. Muchos trastornos neuropsiquiátricos se deben a una actividad eléctrica anómala de las neuronas del tejido cerebral. Las mediciones de la actividad eléctrica, incluso desde las primeras fases del desarrollo de los organoides, pueden proporcionar información básica sobre estas enfermedades. Sin embargo, estudiar la actividad eléctrica de los organoides sin modificar su estructura tridimensional constituye todo un reto.
Mallas de electrodos para medir la actividad eléctrica
El equipo del proyecto STRELECOID, que contó con el apoyo de las acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA, por sus siglas en inglés), se inspiró en el arte del kirigami para desarrollar una innovación pionera, que posibilita el registro eléctrico continuo y atraumático de organoides que embebidos en ella. La fase de estancia en un tercer país de la beca MSCA se llevó a cabo en la Universidad de Stanford. «La principal innovación del proyecto consistió en emplear un material muy duro y hacerlo flexible y adaptable. De forma parecida al kirigami, el arte y la técnica de cortar el papel, se puede efectuar un corte geométrico minucioso de un material duro puede hacerlo flexible», explica Csaba Forró, beneficiario de una beca de investigación individual MSCA. Las matrices de electrodos convencionales en interfaces planas inducen estrés celular y pueden dañar la estructura del organoide, lo que dificulta los estudios a largo plazo y la obtención de datos precisos. La tecnología de STRELECOID se parece a una malla, muy pequeña y con una gran flexibilidad, que se despliega en una cesta donde se coloca el organoide. El organoide sigue creciendo sin problemas, integrando la malla de electrodos en su estructura, que también le proporciona soporte estructural. La malla está recubierta de microelectrodos, con un tamaño de 25 µm, que se integran de forma gradual en el núcleo del organoide y permiten registrar la actividad eléctrica de diferentes regiones. Este método evita la inserción de un dispositivo de medición eléctrica en el organoide y, por tanto, la posible inflamación resultante del mismo.
Diseño avanzado y compatibilidad
Aprovechando los marcos de diseño basados en Python y las simulaciones físicas, estas mallas se someten a pruebas meticulosas antes de su producción, lo que garantiza su compatibilidad con diversos tipos de organoides y una estabilidad duradera. Los resultados obtenidos hasta ahora sugieren que la malla de electrodos de STRELECOID permite efectuar un registro eléctrico continuo de la actividad de los organoides durante más de medio año. «El registro eléctrico se hace sin alterar ni estresar al organoide, ya que todo el proceso se lleva a cabo mientras el organoide está en suspensión», recalca Forró. El diseño de TRELECOID es compatible con las técnicas neurocientíficas convencionales, como las intervenciones optogenéticas y farmacológicas. Unos algoritmos innovadores posibilitan detectar al instante la actividad neuronal en los registros, lo que reduce de forma considerable el volumen de datos al tiempo que se conserva la información esencial.
Cambio de paradigma en la tecnología de interfaz neural
Una vez demostrado la eficacia de este método, el trabajo se centra ahora en optimizar estas malla y mejorar la resistencia mecánica y el rendimiento de los electrodos. Además, el equipo espera poder emplear otros tipos de organoides, incluidos los cardíacos. En la actualidad, una de las principales limitaciones de los organoides es que carecen de vascularización, lo que provoca hipoxia en su núcleo debido a la baja difusión de oxígeno. Las mallas de electrodos podrían solventar este problema incorporando una red microfluídica capaz de suministrar moléculas esenciales. De cara al futuro, Forró destaca: «Nuestra innovación representa un cambio de paradigma en la tecnología de interfaz neural, lo que fomenta el avance del campo y abre nuevas fronteras en la comprensión de los trastornos neurológicos».
Palabras clave
STRELECOID, organoide, actividad eléctrica, kirigami, malla de electrodos, células madre pluripotentes inducidas, neurociencia, tecnología de interfaz neuronal, trastornos neuropsiquiátricos