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El implante tiene la décima parte del espesor de un cabello humano. Fuente: Laboratorio Jeong/Universidad de Colorado en Boulder.
Un estudio ha demostrado que los científicos pueden controlar de forma inalámbrica el camino que sigue un ratón con sólo pulsar un botón. Investigadores de la Universidad de Washington en Saint Louis y la Universidad de Illinois, de Urbana-Champaign (EE.UU.) han creado un implante de tejido controlado a distancia, que permite a los neurocientíficos liberar fármacos y encender luces en las neuronas de los cerebros de los ratones.
El revolucionario dispositivo se describe en línea en la revista Cell. Su desarrollo fue parcialmente financiado por los Institutos Nacionales de Salud (NIH) estadounidenses.
"Abre un mundo de posibilidades para que los científicos aprendan cómo funcionan los circuitos cerebrales en un entorno más natural", dice Michael R. Bruchas, profesor de anestesiología y neurobiología en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington y autor principal del el estudio, en la nota de prensa de los NIH.
El laboratorio de Bruchas estudia circuitos que controlan varios trastornos, entre ellos el estrés, la depresión, la adicción y el dolor. Por lo general, los científicos que estudian estos circuitos tienen que elegir entre la inyección de drogas a través de tubos de metal voluminosos y enviar luces a través de cables de fibra óptica. Ambas opciones requieren cirugía que puede dañar partes del cerebro e introducir condiciones experimentales que dificultan los movimientos naturales de los animales.
Para abordar estas cuestiones, Jae-Woong Jeong, un bioingeniero anteriormente en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, trabajó con Jordan G. McCall, estudiante graduado del laboratorio Bruchas, para construir un implante optofluídico controlado a distancia. El dispositivo está hecho de materiales blandos que tienen una décima parte del diámetro de un cabello humano y pueden liberar simultáneamente medicamentos y luces.
"Utilizamos potentes estrategias de nano-fabricación para fabricar un implante que nos permite penetrar en el interior del cerebro con daños mínimos", dice John A. Rogers, profesor de ciencia de los materiales e ingeniería de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y autor principal. "Los dispositivos ultra-miniaturizados como éste tienen un enorme potencial para la ciencia y la medicina."
Con un espesor de 80 micrómetros y una anchura de 500 micrómetros, el implante optofluídico es más delgado que los tubos de metal, o cánulas, que los científicos utilizan normalmente para inyectar drogas. Cuando los científicos compararon el implante con una cánula típica encontraron que el implante dañaba y desplazaba mucho menos tejido cerebral.
Los científicos probaron el potencial de suministro de fármacos del dispositivo mediante su colocación quirúrgica en el cerebro de ratones. En algunos experimentos, hicieron a los ratones andar en círculos inyectando un fármaco que imita la morfina en el área ventral tegmental, una región que controla la motivación y la adicción.
El revolucionario dispositivo se describe en línea en la revista Cell. Su desarrollo fue parcialmente financiado por los Institutos Nacionales de Salud (NIH) estadounidenses.
"Abre un mundo de posibilidades para que los científicos aprendan cómo funcionan los circuitos cerebrales en un entorno más natural", dice Michael R. Bruchas, profesor de anestesiología y neurobiología en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington y autor principal del el estudio, en la nota de prensa de los NIH.
El laboratorio de Bruchas estudia circuitos que controlan varios trastornos, entre ellos el estrés, la depresión, la adicción y el dolor. Por lo general, los científicos que estudian estos circuitos tienen que elegir entre la inyección de drogas a través de tubos de metal voluminosos y enviar luces a través de cables de fibra óptica. Ambas opciones requieren cirugía que puede dañar partes del cerebro e introducir condiciones experimentales que dificultan los movimientos naturales de los animales.
Para abordar estas cuestiones, Jae-Woong Jeong, un bioingeniero anteriormente en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, trabajó con Jordan G. McCall, estudiante graduado del laboratorio Bruchas, para construir un implante optofluídico controlado a distancia. El dispositivo está hecho de materiales blandos que tienen una décima parte del diámetro de un cabello humano y pueden liberar simultáneamente medicamentos y luces.
"Utilizamos potentes estrategias de nano-fabricación para fabricar un implante que nos permite penetrar en el interior del cerebro con daños mínimos", dice John A. Rogers, profesor de ciencia de los materiales e ingeniería de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y autor principal. "Los dispositivos ultra-miniaturizados como éste tienen un enorme potencial para la ciencia y la medicina."
Con un espesor de 80 micrómetros y una anchura de 500 micrómetros, el implante optofluídico es más delgado que los tubos de metal, o cánulas, que los científicos utilizan normalmente para inyectar drogas. Cuando los científicos compararon el implante con una cánula típica encontraron que el implante dañaba y desplazaba mucho menos tejido cerebral.
Los científicos probaron el potencial de suministro de fármacos del dispositivo mediante su colocación quirúrgica en el cerebro de ratones. En algunos experimentos, hicieron a los ratones andar en círculos inyectando un fármaco que imita la morfina en el área ventral tegmental, una región que controla la motivación y la adicción.
Fabricación
Los investigadores también probaron el potencial de combinar la liberación de luz y de medicamentos haciendo que los ratones que tenían neuronas VTA sensibles a la luz se quedaran a un lado de una jaula ordenando al implante enviar pulsos láser sobre las células.
Los ratones dejaban de tener esa preferencia cuando los científicos hacían que el dispositivo inyectara simultáneamente un fármaco que bloquea la comunicación neuronal. En todos los experimentos, los ratones estaban a cerca de un metro de distancia de la antena de comandos.
Los investigadores fabricaron el implante utilizando técnicas de fabricación de chips de ordenador semiconductores. Tiene espacio para hasta cuatro medicamentos y tiene cuatro diodos emisores de luz inorgánicos a microescala. Instalaron un material expandible en la parte inferior de los depósitos del fármaco para controlar la liberación del mismo.
Cuando la temperatura de un calentador eléctrico situado debajo del depósito se elevó, la parte inferior se expandió rápidamente y empujó el fármaco hacia el cerebro. "Tratamos al menos 30 prototipos diferentes antes de que finalmente uno funcionara", dice McCall.
En el estudio, los científicos proporcionan instrucciones detalladas para la fabricación del implante. "Una herramienta sólo es buena si se usa", dice Bruchas. "Creemos que un proceso abierto, un enfoque en crowdsourcing de la neurociencia es una gran manera de entender la circuitería normal y saludable del cerebro."
Los investigadores también probaron el potencial de combinar la liberación de luz y de medicamentos haciendo que los ratones que tenían neuronas VTA sensibles a la luz se quedaran a un lado de una jaula ordenando al implante enviar pulsos láser sobre las células.
Los ratones dejaban de tener esa preferencia cuando los científicos hacían que el dispositivo inyectara simultáneamente un fármaco que bloquea la comunicación neuronal. En todos los experimentos, los ratones estaban a cerca de un metro de distancia de la antena de comandos.
Los investigadores fabricaron el implante utilizando técnicas de fabricación de chips de ordenador semiconductores. Tiene espacio para hasta cuatro medicamentos y tiene cuatro diodos emisores de luz inorgánicos a microescala. Instalaron un material expandible en la parte inferior de los depósitos del fármaco para controlar la liberación del mismo.
Cuando la temperatura de un calentador eléctrico situado debajo del depósito se elevó, la parte inferior se expandió rápidamente y empujó el fármaco hacia el cerebro. "Tratamos al menos 30 prototipos diferentes antes de que finalmente uno funcionara", dice McCall.
En el estudio, los científicos proporcionan instrucciones detalladas para la fabricación del implante. "Una herramienta sólo es buena si se usa", dice Bruchas. "Creemos que un proceso abierto, un enfoque en crowdsourcing de la neurociencia es una gran manera de entender la circuitería normal y saludable del cerebro."
Referencia bibliográfica:
Jeong et al.: Wireless Optofluidic Systems for Programmable In Vivo Pharmacology and Optogenetics. Cell (2015). DOI: 10.1016/j.cell.2015.06.058.
Jeong et al.: Wireless Optofluidic Systems for Programmable In Vivo Pharmacology and Optogenetics. Cell (2015). DOI: 10.1016/j.cell.2015.06.058.
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