Investigadors creen un nanogenerador que permet estimular cèl·lules vives

17/07/2017

Un estudi liderat per Gonzalo Murillo, investigador de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM) del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC), i Carme Nogués, investigadora del Departament de Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB ), demostra que és possible l'ús de nanogeneradors piezoelèctrics per estimular elèctricament cèl·lules vives. El nanogenerador que han fabricat és extraordinàriament reduït -té un gruix d'unes desenes de nanòmetres- i no necessita font d'energia externa, dues característiques que fins ara no s'havien aconseguit mai.

Des del segle XVIII, es vénen fent servir els impulsos elèctrics com a teràpia per a diferents malalties. S'ha demostrat que trastorns com l'epilèpsia, l'esquizofrènia, el Parkinson, l'Alzheimer o les depressions, entre d'altres, poden ser tractats estimulant elèctricament el sistema nerviós central o el nervi vague. El 2015, es va proposar un nou concepte de tractament terapèutic, "la bioelectrònica", que utilitza impulsos elèctrics en lloc dels fàrmacs basats en compostos químics.

Amb l'avanç de la nanotecnologia, s'ha investigat el desenvolupament i ús de dispositius miniaturitzats que puguin ser implantats en el cos humà, per aplicar aquest tractament de forma localitzada. No obstant això, la mida dels dispositius és encara massa gran per tractar cèl·lules de manera individual. A més, tots els sistemes necessiten una font energètica que els alimenti des de fora.

Una alternativa recent és recollir l'energia biomecànica del propi pacient per alimentar els dispositius, però aquests últims segueixen sent, encara, centenars de vegades més grans que les cèl·lules humanes.

En aquesta línia s'emmarca el treball de l'IMB-CSIC i de la UAB, que s'acaba de publicar a la revista Advanced Materials i que ha merescut la seva última portada. "El resultat demostra que la interacció electromecànica entre un nanogenerador i cèl·lules humanes genera un petit camp elèctric, que estimula i modula l'activitat cel·lular sense fer mal, ni la necessitat d'aplicar cap altre estímul extern, ni físic ni químic", explica Gonzalo Murillo, de l'IMB-CSIC.

Energia generada per la interacció cèl·lula-nanogenerador

Per al treball, s'han cultivat cèl·lules d'os (osteoblasts) sobre un substrat cobert de nanogeneradors. Els nanogeneradors estan formats per una nova estructura planar d'òxid de zinc (ZnO). La força inherent que exerceix la cèl·lula quan s'adhereix al material doblega aquesta nanoestructura, la qual, al seu torn, reacciona generant un lleu impuls elèctric (a causa de les conegudes propietats piezoelèctriques del material), capaç d'estimular elèctricament aquesta cèl·lula.

Aquest impuls elèctric desencadena l'obertura dels canals iònics de la membrana cel·lular, el què al seu torn indueix el pas del calci des del mig de cultiu a l'interior de la cèl·lula. És l'augment de calci, observat pels científics, el que demostra que els nanogeneradors són capaços de provocar un estímul elèctric sense necessitat d'una font d'energia addicional.

Carme Nogués, investigadora de la UAB, explica que "aquest tipus de canals són presents en diverses cèl·lules excitables, com neurones, cèl·lules musculars o òssies, a les quals se'ls podria aplicar el mateix mètode. Està demostrat que els estímuls elèctrics augmenten, en el teixit ossi, la diferenciació dels osteoblasts i, en conseqüència, la calcificació dels ossos. En neurones, el potencial d'acció permet obrir els canals iònics i, per tant, estimular un circuit neuronal. Per la seva banda, en les cèl·lules musculars estriades, són responsables de la contracció muscular ".

Els científics també han mostrat que la viabilitat, proliferació i diferenciació de les cèl·lules no es veuen afectades per la presència del nanogenerador. Actualment, ja estan treballant en l'obtenció de nanogeneradors biocompatibles i biodegradables en suspensió, que podran ser activats sense fils, i que han batejat com a 'nanodispositius bioelectrònics'. Aquests nanodispositius es podrien implantar a qualsevol teixit d'un pacient i activar-remotament.

L'estudi està en una fase preliminar. "Queda un llarg recorregut abans que aquests nanogeneradors puguin ser utilitzats en implants ossis per accelerar l'ossificació d'una fractura mitjançant autoestimulaicó elèctrica o com a teràpia mèdica", explica Jaume Esteve, investigador de l'IMB-CSIC i un dels artífexs del nanogenerador , junt amb Murillo.

"En un futur, aquesta forma d'estimulació elèctrica podria ser aplicada a altres cèl·lules, com neurones o cèl·lules musculars, i obrir camí cap a noves aplicacions bioelectròniques i a un canvi de paradigma pel que fa als tractaments terapèutics farmacològics actuals", afegeix Gonzalo Murillo.

A començaments de 2017, el desenvolupament tecnològic i el procés de fabricació dels nanodispositius bioelectrònics han estat patentats a nivell europeu pel CSIC.

Aquest treball s'emmarca en la línia d'investigació dirigida per Gonzalo Murillo, que desenvolupa sistemes capaços d'obtenir la micro-energia que prové de les vibracions, el moviment del cos humà o maquinaria i altres tipus d'energia mecànica ambiental.

Article de referència:  Bioelectronics: Electromechanical Nanogenerator–Cell Interaction Modulates Cell Activity (Adv. Mater. 24/2017), Gonzalo Murillo, Andreu Blanquer, Carolina Vargas-Estevez, Lleonard Barrios, Elena Ibáñez, Carme Nogués, Jaume Esteve

Imatge de l'estudi a la portada de la revista: http://www.dicat.csic.es/dicat/images/ADMA-29(24)_OFC.PDF