¿Podemos saber con detalle qué están haciendo las células?
Enviado por: Alberto Castellano
La respuesta a esta pregunta parece clara, sí, tomemos un microscopio y miremos. Pero es que esto no basta, no es una fuente información completa. Entonces, ¿es qué podemos medir más cosas?, ¿qué tipo de señales?.
Hace poco más de cien años biólogos y profesionales dedicados al ámbito de la medicina se encontraban buscando una explicación ante la morfología y funcionamiento del cerebro. Ramón y Cajal y Camillo Golgi recibieron en 1906 el premio Nobel de Medicina, “en reconocimiento de su trabajo sobre la estructura del sistema nervioso». En aquella época se aceptó la hipótesis de que el tejido nervioso se constituía de pequeñas células denominadas neuronas con una fisiología definida, inferida por las técnicas de microscopía y tinción de la época. Pero aún quedaba mucho camino por recorrer. La pregunta esencial era qué tipo de proceso provocaba la transmisión del impulso nervioso, y cuál era el origen de este. Pero no fue hasta pasado más de medio siglo cuando se pudo comenzar a medir las señales involucradas en la activación de las células. Este avance le valió a Erwin Neher y Bert Sakman el premio Nobel de Medicina en 1991 por el desarrollo de la técnica del patch clamp y “por sus descubrimientos sobre la función de los canales iónicos en las células“. Sin embargo, todavía quedaban cuestiones por responder y debido a su curiosidad y al avance en la ciencia de materiales, y más concretamente en la nanotecnología (con el desarrollo de nuevos materiales semiconductores con estructuras y morfologías particulares a nivel mesoscópico e incluso nanométrico), se ha conseguido medir con mayor precisión las señales de los procesos electroquímicos que gobiernan las comunicaciones celulares. La implementación de estas meso- y nanoestructuras permiten no solo conocer cómo se comunican las células sino medir incluso las fuerzas que son capaces de generar en sus contracciones o incluso las deformaciones que experimentan. Del mismo modo se puede controlar las excitaciones de las células individualmente mediante procedimientos y dispositivos similares. Además, la aplicabilidad de estas nuevas técnicas es expandibles incluso a pequeñas muestras de tejido celular. En este post vamos a presentar algún ejemplo de este tipo de nanodispositivos basados en semiconductores.
Para entender un poco más qué señales y de qué tipo se quieren medir, plantearemos un pequeño repaso. En los sistemas biológicos los portadores de carga suelen ser iones o moléculas cargadas. Los flujos de estos mismos (normalmente Na+ y K+) a través de las membranas celulares generan distribuciones de carga que, según la ecuación de Poisson, se asocian inmediatamente con la generación de potenciales eléctricos. Se habla de potenciales inter- e incluso intracelulares, como los llamados potenciales de acción (AP,s), uno de los potenciales que se desea medir. La idea fundamental del perfil de la señal es la mostrada en la siguiente figura.
El objetivo sería poder medir este tipo de curvas con la mayor precisión posible. Para ello se ha desarrollado una nueva tecnología denominada Neuro Píxel.
Dicha tecnología hace uso de un nanodispositivo fabricado con uno de los materiales más idóneos como sería el silicio (por su biocompatibilidad y por ser el material por excelencia en la electrónica actual). El dispositivo en cuestión consiste en un microhilo compuesto de píxeles inversores CMOS que convierten señales del potencial de activación neuronal en corriente, las cuales son monitorizadas cuando este se inserta en un tejido vivo. Obteniendo datos de las distintas regiones del cerebro.
Continuando con los nuevos nanodispositivos para la medición de datos, y ahora sí que sí las dimensiones son nanométricas, se presentan los FET´s de nanohilos de Si dopado montados sobre láminas de polímero SU-8 y recubierto de fosfolípidos. Estaríamos ante una excelente alternativa para mejorar la relación señal/ruido en la medida de potenciales. Este dispositivo permite medir, con incluso resolución temporal, la curva del potencial de acción de las células. En el ejemplo mostrado en la siguiente figura, el de un cardiomiocito contrayéndose. En la imagen puede verse cómo al introducir la sonda, el potencial extracelular (estrella morada) desparece y puede medirse cada vez con mayor nítidamente el potencial de acción (estrella verde), permitiendo distinguir todas sus fases con un nivel de detalle muy elevado. La flexibilidad de la sonda permite un menor riesgo de daño de las muestras utilizadas.
El hilo de Silicio puede ser sustituido por otro material biocompatible y con otras propiedades superiores al Silicio como sería el ZnO, material con propiedades piezoeléctricas. Estaríamos ante un nanodispositivo denominado nano piezo-FET. Conectado a dos contactos de tipo óhmico (contactos de baja o nula resistividad) la corriente entre fuente y drenador del dispositivo FET se controlaría mediante la deformación del nanohilo. Bajo dicha deformación y debido a las propiedades piezoeléctricas del ZnO, se crearía una zona de deplexión de carga que separaría los portadores de corriente produciendo dos superficies de carga. Esta situación es similar a aplicar un voltaje de puerta como se haría típicamente en un FET. Cuando los electrones atraviesan el potencial de la superficie, tanto positiva como negativa, se verían influenciados por la carga en modo completamente diferente. En el caso de carga negativa, los electrones libres de conducción se verían repelidos, reduciendo el ancho del canal de conducción y provocando un descenso en la conductancia. La siguiente figura muestra unas imágenes de Microscopía Electrónica de este nanohilo y una curva de conductancia según la deformación ε así como una simulación de los efectos de la deformación.
El interés estriba en poder aplicar este nanohilo en casos reales mejorando las prestaciones sobre los nanohilos utilizados hasta ahora y basados en Si como en el caso mostrado en la siguiente figura. En este experimento se miden las deformaciones del nanohilo de Si implantado en una célula muscular cuando esta se contrae. Al ser un material no piezoeléctrico ha de recurrirse al análisis de ecuaciones diferenciales para la flexión del nanohilo y así poder determinar las fuerzas involucradas en la contracción. En el caso de utilizar la piezoelectricidad, la medida sería directa sin necesidad de tediosos cálculos. En definitiva, estos estudios parecen prometedores a la hora de estudiar la dinámica y propiedades elásticas in vivo de células involucradas en procesos vivos.
Como conclusión podemos decir que la aplicación de la nanofísica y la ingeriría de materiales, en el campo de la biología y de la medicina, parece tener prometedoras perspectivas y aplicaciones, siendo una caja de herramientas perfecta, y cuyos métodos se irán afianzando con desarrollos e investigaciones futuras.