Las células del corazón pueden estirarse tanto como el 100 por ciento con cada latido. Pero las plataformas para estudiar las células son estáticas, limitando la posibilidad de los investigadores para estudiar estas células de una forma realista en el laboratorio. Ahora los investigadores en la Purdue University y Stanford University desarrollaron conjuntos de electrodos que se estiran para estudiar estas células. Estos conjuntos podrían ayudar a desarrollar injertos manipulados de tejido para reparar el daño causado por ataques cardíacos, y podrían funcionar como interfaces eléctricas bio-compatibles para dispositivos que se implanten. También se los está usando para estudiar cómo la presión mecánica, que se inflige durante una herida que produce una lesión cerebral, cambia la actividad eléctrica de las neuronas a largo plazo.

El sistema nuevo, desarrollado por un equipo liderado por Babak Ziaie, profesor de ingeniería informática y eléctrica en Purdue, consiste de un polímero que se estira que contiene un conjunto de pernos recubiertos de oro. Los pernos actúan como micro-electrodos que envían y registran señales eléctricas. En el pasado, la dificultad para diseñar estos conjuntos de electrodos fue desarrollar las conexiones eléctricas para ellos que pudieran estirarse sin que se degradara su rendimiento. En el sistema de Purdue, la corriente eléctrica se transporte de y hacia los electrodos mediante una aleación metálica líquida que fluye dentro del polímero.

Los conjuntos de electrodos que se estiran mantienen sus propiedades eléctricas mejor que cualquier otro electrodo flexible que se hubiera desarrollado antes. Utilizar una aleación líquida redunda en que la resistencia a la corriente eléctrica no decrece cuando se estira al conjunto.        

Esto los transforma en una herramienta útil para estudiar y estimular las células cardiacas, dice Rebecca Taylor, uno de los investigadores de Stanford que trabaja en el proyecto.

Las células del músculo cardíaco reciben estimulación eléctrica regular que las hace latir. También pasan por presión mecánica regular causada por el latido del tejido que las circunda. Estos estímulos le indican a las células cardiacas que sigan actuando como células cardiacas, así que imitarlas en el laboratorio es un primer paso importante hacia la manipulación de tejido para reparar el daño causado por ataques cardiacos o defectos cardíacos congénitos.

Taylor dice que los electrodos nuevos posibilitan que, in Vitro, se estimule y estire a las células del músculo cardíaco: “las engañas para que piensen que están en el corazón”. Estas células musculares largas que laten normalmente pierden la forma después de alrededor de un día en el cultivo, se detienen y adoptan una forma pequeña y redonda. La primera meta de los investigadores de Stanford fue utilizar la plataforma de células que se estira y que emite estímulos eléctricos para hacer que las células mantengan su estado normal. Después de eso, planean utilizar el método para cultivar parches de tejido cardiaco saludable para realizar injertos reparativos. Otro equipo de investigadores en la Columbia University y en la Princeton University están utilizando los conjuntos de electrodos que se estiran para estudiar las heridas cerebrales que causan lesiones (TBI). Este tipo de lesión es la resultante de hechos severos como ser un accidente automovilístico o una explosión en el campo de batalla, pero los efectos adversos se empeoran a largo plazo a medida que las células cerebrales reaccionan a la lesión cambiando sus patrones de expresión de genes, y subsecuentemente su actividad eléctrica. Así que la esperanza radica en comprender mejor cómo el stres mecánico conduce a cambios moleculares en el cerebro, para a su vez, hallar terapias que salven vidas. “La deformación del tejido cerebral activa cascadas de señales celulares que se desarrollan a través del tiempo; a menudo, eso es lo que te mata”, dice Barclay Morrison, un ingeniero biomédico en Colombia. Morrison está estudiando TBI en el laboratorio utilizando electrodos que se estiran desarrollados por Sigurd Wagner, un profesor de ingeniería eléctrica en Princeton.

En los conjuntos de electrodos de Wagner, los contactos eléctricos que son delgados y de oro que se estamparon utilizando técnicas de litografía juegan el mismo rol que los contactos de aleación líquida de Ziaie. Estos electrodos si experimentan un pico de resistencia cuando se estiran, pero esto dura menos que un segundo, según Morrison. La capacidad de estiramiento de los electrodos, permite que el equipo de Columbia inflija stres mecánico semejante al TBI en neuronas obtenidas por cultivo, y monitorizar su actividad eléctrica a largo plazo.

“Uno de los temas importantes, en este momento, en la TBI, es que no estamos del todo seguros respecto de los umbrales de la lesión”, dice Kevin Kit Parker, un Capitán de Reserva del Ejército de Estados Unidos y profesor de ingeniería biomédica en la Harvard University. Los electrodos como los que desarrollaron Ziaie y Morrison “nos permitirían determinar con exactitud el tipo de fuerzas explosivas que se necesitan para alterar la actividad eléctrica del cerebro agudamente”, dice Parker.

Morrison dice que sus estudios demostraron que el daño semejante a la TBI se puede iniciar en células cultivadas en el laboratorio infligiendo una presión del 10 por ciento durante 50 milisegundos. En un artículo de próxima aparición en el Journal of Neurotrauma, Wagner y él describirán los efectos del trauma simulado en células de distintas regiones del cerebro. “Demostramos que, dependiendo de la región del cerebro, la muerte celular responde a la proporción y la magnitud del estiramiento”, dice Morrison.

A largo plazo, los investigadores esperan que los conjuntos de electrodos que se pueden estirar resulten apropiados más que sólo para estudiar las células, y que puedan utilizarse para crear dispositivos que se implanten para estudiar y tratar enfermedades. Morrison dice que los electrodos que se estiran pueden ser interfaces más compatibles para prostética neuronal que se conecte al cerebro, tal como los implantes que permiten que los cuadriplégicos controlen sus sillas de ruedas o utilicen un cursor en una pantalla de ordenador sólo al pensarlo. Debido a la flexibilidad de los implantes, causarán menos cicatrización que un chip rígido de silicio. La cicatrización interfiere con el rendimiento de un implante.

Los conjuntos de electrodos que se estiran también parecen ser prometedores para actuar como interfaz eléctrica con otros tipos de músculos. Un conjunto de electrodos apropiado, envuelto en los tejidos lisos de la vejiga podrían usarse para enviar señales eléctricas para permitir que el músculo se mueva nuevamente, ayudando a tratar pacientes que padecen incontinencia.