Implantes cerebrales convencionales utilizan electrodos que penetran la materia gris para estimular y registrar la actividad neuronal. Suelen requerir un procedimiento quirúrgico para su colocación. Para evitar esta necesidad, un equipo de investigadores liderado por Deblina Sarkar, ingeniera eléctrica y profesora asistente del MIT, ha desarrollado dispositivos electrónicos microscópicos combinados con células vivas. Estas células pueden inyectarse en el sistema circulatorio con una jeringa estándar y viajar por el torrente sanguíneo hasta implantarse en áreas cerebrales específicas.
“En los dos primeros años de trabajo en esta tecnología en el MIT, recibimos 35 propuestas de subvención rechazadas consecutivamente”, afirma Sarkar. “Los comentarios que recibimos de los revisores fueron que nuestra idea era muy impactante, pero imposible”. Reconoce que la propuesta sonaba a algo que se puede encontrar en novelas de ciencia ficción. Pero después de más de seis años de investigación, ella y sus colegas lo han logrado.
Problemas de los Nanobots
En 2022, cuando Sarkar y sus colegas recopilaron datos iniciales y obtuvieron algunos resultados prometedores con sus híbridos célula-electrónica, el equipo propuso el proyecto para el Premio al Nuevo Innovador del Director de los Institutos Nacionales de la Salud. Por primera vez, después de 35 rechazos, superó la revisión por pares. “Obtuvimos la puntuación de impacto más alta de la historia”, dice Sarkar.
La razón de esa puntuación fue que su tecnología resolvió tres problemas extremadamente difíciles. El primero, obviamente, fue fabricar dispositivos electrónicos funcionales más pequeños que las células que pueden circular en nuestra sangre.
“Las exploraciones anteriores, que no habían tenido mucho éxito, se basaban en colocar partículas magnéticas dentro del torrente sanguíneo y luego guiarlas con campos magnéticos”, explica Sarkar. “Pero hay una diferencia entre la electrónica y las partículas”. La electrónica fabricada con tecnología CMOS (que utilizamos para fabricar procesadores de ordenador) puede generar energía eléctrica a partir de la luz entrante de la misma forma que la fotovoltaica, así como realizar cálculos necesarios para aplicaciones más inteligentes como la detección. Las partículas, por otro lado, solo pueden utilizarse para estimular las células hasta cierto punto.
Si es que alguna vez llegan a esas células, por supuesto, que era el segundo problema. “Controlar los dispositivos con campos magnéticos significa que tienes que entrar en una máquina del tamaño de una resonancia magnética”, dice Sarkar. Una vez que el sujeto está en la máquina, un operador mira dónde están los dispositivos e intenta moverlos a donde necesitan estar utilizando nada más que campos magnéticos. Sarkar dijo que es difícil hacer algo más que mover las partículas en líneas rectas, lo cual no encaja bien con nuestra vasculatura, que es muy compleja.
La solución que encontró su equipo fue fusionar la electrónica con monocitos, células inmunitarias que pueden dirigirse a la inflamación en nuestro cuerpo. La idea era que los monocitos transportarían la electrónica a través del torrente sanguíneo utilizando el mecanismo de localización química de las células. Esto también resolvió el tercer problema: cruzar la barrera hematoencefálica que protege el cerebro de patógenos y toxinas. La electrónica por sí sola no podía atravesarla; los monocitos sí.
El desafío era hacer que todas estas ideas funcionaran.
Encaje Perfecto
El equipo de Sarkar construyó dispositivos electrónicos hechos de polímero biocompatible y capas metálicas fabricadas en obleas de silicio utilizando un proceso CMOS estándar. “Hicimos los dispositivos así de pequeños con litografía, la técnica utilizada para fabricar transistores para chips en nuestros ordenadores”, explica Sarkar. Tenían aproximadamente 200 nanómetros de grosor y 10 micras de diámetro, lo que los mantenía subcelulares, ya que una célula de monocito suele medir entre 12 y 18 micras. Los dispositivos se activaban y alimentaban con luz infrarroja a una longitud de onda que podía penetrar varios centímetros en el cerebro.
Una vez que los dispositivos fueron fabricados y retirados de la oblea, lo siguiente que había que averiguar era cómo unirlos a los monocitos.
Para ello, el equipo cubrió las superficies de los dispositivos electrónicos con dibezociclooctino, una molécula muy reactiva que puede unirse fácilmente a otros productos químicos, especialmente a compuestos de nitrógeno llamados azidas. Luego, Sarkar y sus colegas modificaron químicamente los monocitos para colocar azidas en sus superficies. De esta forma, la electrónica y las células podían encajar rápidamente, casi como bloques de Lego (este enfoque, llamado química click, obtuvo el Premio Nobel de Química de 2022).
La solución resultante de híbridos célula-electrónica fue diseñada para ser biocompatible y podía inyectarse en el sistema circulatorio. Por eso Sarkar llamó a su concepto “circulatrónica”.
Por supuesto, los híbridos “circulatrónicos” de Sarkar se quedan un poco cortos con respecto a las fantasías de ciencia ficción, ya que no son exactamente nanobots literales. Pero puede que sean lo más parecido que hemos creado hasta ahora.
Neuronas Artificiales
Para probar estos híbridos en ratones vivos, los investigadores prepararon una versión fluorescente para facilitar su seguimiento. Los ratones fueron anestesiados primero, y el equipo creó artificialmente inflamación en una ubicación específica de sus cerebros, alrededor del núcleo talámico ventrolateral. Luego, los híbridos se inyectaron en las venas de los ratones. Después de aproximadamente 72 horas, el tiempo que los científicos esperaban que necesitaran los monocitos para llegar a la inflamación, Sarkar y sus colegas comenzaron a realizar pruebas.
Resultó que la mayoría de los híbridos inyectados llegaron a su destino de una sola pieza: la electrónica permaneció mayormente unida a los monocitos. Las mediciones del equipo sugieren que alrededor de 14.000 híbridos lograron implantarse con éxito cerca de las neuronas en el área objetivo del cerebro. Luego, en respuesta
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