Entender cómo procesan y generan energía eléctrica las células del cerebro y del corazón podría conducirnos hacia una nueva comprensión de las enfermedades neurológicas y cardiacas. Sin embargo, hasta hace pocos años era menos que imposible realizar mediciones eléctricas de células individuales. En 2006, un grupo de investigadores de Harvard utilizó unos transistores de nanocables para registrar las señales eléctricas a un nivel de 50 puntos a lo largo de una neurona individual. Ahora, este mismo equipo de investigación acaba de desarrollar un nuevo sistema de registro con nanocables y lo han utilizado para capturar algunos de los registros eléctricos de células del corazón más precisos y de mayor calidad hasta la fecha.

Este estudio llevado a cabo en Harvard, dirigido por el profesor de química y biología química Charles Lieber, se situa “en la vanguardia de la investigación a la hora de integrar nanotecnología de nanocables y biociencia,” señala Zhong Lin Wang, profesor rector en el Centro para Caracterización de Nanoestructuras, en Georgia Tech.

Los dispositivos a escala nanométrica que interactúan eléctricamente con las células podrían ayudarnos no sólo a comprender mejor los orígenes de la enfermedad, sino también a mejorar las prótesis neuronales y otros dispositivos médicos.

Lieber señala que el objetivo de su laboratorio es desarrollar dispositivos eléctricos que interactúen con los tejidos biológicos a una escala que sea biológicamente significativa—en otras palabras, a escala nanométrica. Las células procesan las señales eléctricas al tiempo que dichas señales viajan a través de la longitud de la célula; el proceso subcelular eléctrico que tiene lugar en las neuronas, por ejemplo, juega un papel importante en las anomalías del aprendizaje o la memoria. “Para poder comprender cómo se propagan las señales y por qué no lo hacen de la forma en que deberían” en enfermedades tales como la epilepsia o las arritmias cardiacas, “es necesario llevar a cabo mediciones a un nivel muy detallado,” señala Lieber.

Para poder realizar ese tipo de registro tan detallado, Lieber usa transistores hechos de cables de silicio y de sólo décimas de nanómetros de diámetro. Los nanocables se generan en una cámara de reacción, después se alinean sobre una oblea de silicio y se les aplican unos electrodos de metal y unos interconectores. Hasta ahora, los investigadores habían cultivado las células sobre la superficie de unos chips para así conseguir que los nanocables interfirieran con las células.

“Nos dimos cuenta de que no era necesario cultivar las células sobre el sustrato,” señala Lieber. En vez de eso, y en un tipo de investigación cuya descripción puede encontrarse a través de internet esta semana en Proceedings of the Nacional Academy of Sciences, el grupo de Harvard cultivó las células sobre unas láminas de polímero flexible. Los nanocables como tales no tienen células, pero a pesar de eso una oblea rígida de silicio no es el lugar más adecuado para que sobre ella empiecen a crecer tejidos biológicos. Al hacer que el tejido creciera de forma separada y sobre unos sustratos de plástico, los investigadores de Harvard lograron crear un tipo de muestras de tejido con las que se podía trabajar mejor.  Al tener mejores muestras, las mediciones eran más significativas. Los investigadores de Harvard fueron capaces de colocar el tejido sobre los nanocables bajo un microscopio, y de esa manera lograron seleccionar zonas específicas dentro del tejido donde llevar a cabo las mediciones. El hecho de haber logrado poner en contacto a un grupo de células en cremiento con un dispositivo de medición es algo que tendrá una importancia crítica en los implantes del futuro.

“Este enfoque modular es bastante elegante,” señala Peidong Yang, profesor de química en Universidad de California, Berkeley. Yang ha usado los grupos de nanocables para estudiar los efectos de la apliación de electricidad en el desarrollo de células madre.

Hasta ahora, el grupo de Harvard ha utilizado este sistema modular para registrar la actividad eléctrica en tejidos cardiacos latientes. Según Lieber, en uno de los experimentos lograron orientar el tejido sobre el grupo de nanocables y así lograr mediciones de gran precisión de las conexiones eléctricas entre tres células del corazón. “Las velocidades de propagación no son uniformes y dependen de los detalles de su conectividad,” señala. Por ejemplo, la conexión entre dos de estas células mostraba más resistencia eléctrica que entre el resto de células.

Para llegar a entender lo que estas mediciones biofísicas tan precisas pueden llegar a significar en términos de salud y enfermedad, será preciso llevar a cabo y analizar más mediciones. Yang señala que, sin embargo, el estudio de Lieber muestra que es posible realizar mediciones determinantes complejas, altamente espaciales y temporales.

 “Este estudio amplía las aplicaciones de la nanoteconología dentro del campo de la interconexión de células, lo que probablemente supone una de las aplicaciones biológicas de nanocables más prometedoras,” añade Nicholas Kotov, profesor de ingeniería química de la Universidad de Michigan. “El desarrollo de nanomateriales para este propósito puede ayudar a mucha gente que sufre enfermedades devastadoras relacionadas con fallos en las señales de transmisión entre las células.”

En la actualidad Lieber está utilizando el sistema modular para realizar registros a partir de tejido neuronal, que es más frágil, y está desarrollando nuevas formas de organizar los nanocables. Una de las razones por las que estos pequeños cables son capaces de establecer conexiones eléctricas tan buenas con las células se debe a que una gran parte de su superficie está en contacto con el tejido que los rodea. Al fabricar los grupos de nanocables con configuraciones distintas, Lieber espera que las células sean capaces de interactuar con una mayor superficie aún de estos cables .

El grupo también está trabajando en unos dispositivos de nanocables que pueden registrar al mismo tiempo tanto las señales eléctricas como las químicas. Los estudios anteriores de Lieber han demostrado que los transistores de nanocables que incluyen moléculas vinculantes pueden ser utilizados como sensores químicos de extremada sensibilidad: su conductividad cambia de forma predecible cuando se vinculan a una molécula en particular, como por ejemplo un neurotransmisor. Si se lograsen registrar los efectos de las señales eléctricas, las hormonas, los neurotransmisores, así como de otras sustancias químicas, todo esto daría como resultado una imagen más integrada de las funciones biológicas.