lunes, 17 de julio de 2017

Estimular las celulas a escala de nanogenerador

El desarrollo, liderado por el IMB-CNM y la UAB, está dirigido a desarrollar terapias de estimulación eléctrica a escala celular. El nanogenerador crea un pequeño campo eléctrico que rodea a la célula sin ninguna fuente de energía externa.

Células óseas en una superficie cubierta por nanogeneradores.
Células en una superficie cubierta por nanogeneradores.
Un trabajo dirigido por el Dr. Gonzalo Murillo, científico del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC, y la Dra. Carme Nogués, científica del Departamento de Biología Celular, Fisiología e Inmunología de la Universitat Autònoma de Barcelona UAB), muestra que es posible el uso de nanogeneradores piezoeléctricos para estimular eléctricamente las células vivas.

El nanogenerador, creado y producido por científicos del IMB-CSIC y probado por el equipo científico de la UAB, es extremadamente pequeño (midiendo unas pocas décimas de nanómetros de espesor) y no necesita ninguna fuente de alimentación externa, dos características Nadie había logrado antes.
Desde el siglo 18, pulsos eléctricos se han utilizado como una terapia para el tratamiento de varias enfermedades. Trastornos como epilepsia, esquizofrenia, Parkinson, Alzheimer o depresiones pueden tratarse estimulando el sistema nervioso o el nervio vago. En 2015, se propuso el nuevo concepto terapéutico "Bioelectrónica", que utiliza pulsos eléctricos en lugar de los fármacos actuales basados ​​en compuestos químicos.
Con el progreso de la nanotecnología, se ha investigado el desarrollo y uso de pequeños dispositivos implantables, con el fin de aplicar este tratamiento localmente. Sin embargo, el tamaño de los dispositivos es todavía demasiado grande para tratar las células individuales y todos los sistemas necesitan una fuente externa de energía.
Una nueva alternativa es cosechar la energía biomecánica del paciente y usarla para cargar los dispositivos, pero éstos son todavía cientos de veces más grandes que las células humanas. 

Los resultados demuestran que la interacción eléctrica entre un nanogenerador y las células humanas produce un pequeño campo eléctrico

La obtención de un generador autónomo y muy pequeño es el logro del trabajo desarrollado por los científicos del IMB-CSIC y de la UAB, que ha sido seleccionado para la portada en la edición del 21 de junio de la revista Advanced Materials. Gonzalo Murillo explica que "los resultados demuestran que la interacción eléctrica entre un nanogenerador y las células humanas produce un pequeño campo eléctrico que estimula y modula la actividad celular sin causar ningún daño y sin necesidad de aplicar ningún otro estímulo físico o químico externo".

Energía Producida por la Interacción Cell-Nanogenerator

Para el estudio, las células óseas (osteoblastos) se cultivaron sobre un sustrato cubierto por nanogeneradores. Éstos se componen de una estructura planar novedosa del óxido de cinc. Las células de resistencia inherentes hacen cuando se adhiere al material dobla la nanoestructura, que a su vez reacciona generando un ligero impulso eléctrico - debido a las propiedades piezoeléctricas conocidas del material.  
Este impulso eléctrico desencadena la apertura de los canales iónicos de la membrana, lo que induce el paso de calcio del medio de cultivo hacia la célula. Es este aumento de calcio lo que permite a los científicos saber que los nanogeneradores son capaces de producir el pulso eléctrico.
Carme Nogués, de la UAB, explica que "estos tipos de canales están presentes en varias células excitables como neuronas, músculos o células óseas, a las que se podría aplicar este mismo método.
Se ha demostrado que el estímulo eléctrico mejora, en los huesos, la diferenciación celular y, por tanto, la calcificación ósea. En las neuronas, permite estimular un circuito neuronal, y en las células musculares estriadas, la contracción muscular ".

Los nanogeneradores y su proceso de logro estaban protegidos por una patente europea

Por el CSIC

Los científicos también han demostrado que la viabilidad, la proliferación y el crecimiento de las células no se ve afectada por el nanogenerador. Ahora están trabajando para obtener "dispositivos bioelectrónicos", nanocentralizadores biocompatibles y biodegradables que podrían activarse sin ruido. Estos dispositivos podrían ser implantados en cualquiera de los tejidos del paciente y activados por control remoto.
El estudio se encuentra en su fase preliminar. "Todavía tenemos mucho por recorrer antes de que estos nanogeneradores pudieran aplicarse para acelerar la osificación de una fractura o como un tratamiento médico", explica el Dr. Jaume Esteve, científico del IMB-CSIC que concibió el nanogenerador junto con Murillo.
"En el futuro, este tipo de estimulación eléctrica podría aplicarse a otras células, como neuronas o células musculares, abriendo el camino para terapias bioelectrónicas y un cambio de paradigma, diferente al actual basado en tratamientos farmacológicos", Gonzalo Murillo dice .   
A principios de 2017, los nanogeneradores y su proceso de logro fueron protegidos bajo una patente europea por el CSIC.
  
Este trabajo forma parte de una línea de investigación dirigida por Gonzalo Murillo, dirigida a desarrollar dispositivos capaces de recoger microenergía de vibraciones, movimientos del cuerpo humano y cualquier otra energía mecánica del medio ambiente.
Artículo de referencia:
Bioelectrónica: La Interacción Electromecánico Nanógeno-Celula Modula la Actividad Celular (Adv. Materia 24/2017), Gonzalo Murillo, Andreu Blanquer, Carolina Vargas-Estévez, Lleonard Barrios, Elena Ibáñez, Carmen Nogués, Jaume Esteve