La nueva tecnología puede revelar los misterios del cerebro



Un equipo de científicos, dirigido por investigadores de la Universidad Northwestern, Shirley Ryan AbilityLab y la Universidad de Illinois en Chicago (UIC), ha desarrollado una tecnología novedosa que promete aumentar la comprensión de cómo se desarrollan los cerebros y ofrecer respuestas sobre la reparación del cerebro tras un neurotrauma y enfermedades neurodegenerativas.

Su investigación es la primera en combinar los sistemas bioelectrónicos tridimensionales más sofisticados con cultivos neuronales humanos tridimensionales muy avanzados. El objetivo es permitir estudios precisos de cómo se desarrollan y reparan los circuitos del cerebro humano in vitro. El estudio es la historia de portada de la edición del 19 de marzo de Avances de la ciencia.

Los esferoides corticales utilizados en el estudio, similares a los “mini-cerebros”, se derivaron de humanoscélulas madre pluripotentes inducidas. Aprovechando un sistema de interfaz neuronal 3-D que desarrolló el equipo, los científicos pudieron crear un “mini laboratorio en un plato” diseñado específicamente para estudiar los mini-cerebros y recopilar diferentes tipos de datos simultáneamente.

Los científicos incorporaron electrodos para registrar la actividad eléctrica. Agregaron pequeños elementos calefactores para mantener calientes los cultivos cerebrales o, en algunos casos, sobrecalentaron intencionalmente los cultivos para estresarlos. También incorporaron pequeñas sondas, como sensores de oxígeno y pequeñas luces LED, para realizar experimentos optogenéticos. Por ejemplo, introdujeron genes en las células que les permitieron controlar la actividad neuronal utilizando pulsos de luz de diferentes colores.

Luego, esta plataforma permitió a los científicos realizar estudios complejos de tejido humano sin involucrar directamente a los humanos o realizar pruebas invasivas. En teoría, cualquier persona podría donar una cantidad limitada de sus células (p. Ej., Muestra de sangre, biopsia de piel).

Luego, los científicos pueden reprogramar estas células para producir un pequeño esferoide cerebral que comparte la identidad genética de la persona. Los autores creen que, al combinar esta tecnología con un enfoque de medicina personalizada utilizando cultivos cerebrales derivados de células madre humanas, podrán obtener conocimientos más rápidamente y generar intervenciones mejores y novedosas.

“Los avances impulsados ​​por esta investigación ofrecerán una nueva frontera en la forma en que estudiamos y entendemos el cerebro”, dijo el Dr. Colin Franz de Shirley Ryan AbilityLab, coautor principal del artículo que dirigió las pruebas de los esferoides corticales. “Ahora que la plataforma 3-D ha sido desarrollada y validada, podremos realizar estudios más específicos en nuestros pacientes que se recuperan de una lesión neurológica o luchan contra una enfermedad neurodegenerativa”.

Este es solo el comienzo de una clase completamente nueva de sistemas bioelectrónicos tridimensionales miniaturizados que podemos construir para expandir la capacidad del campo de la medicina regenerativa. Por ejemplo, nuestra próxima generación de dispositivos apoyará la formación de circuitos neuronales aún más complejos desde el cerebro al músculo, y tejidos cada vez más dinámicos como un corazón que late “.

Yoonseok Park, coautor principal del estudio y becario postdoctoral, Northwestern University

Las matrices de electrodos actuales para cultivos de tejidos son 2-D, planas e incapaces de coincidir con los diseños estructurales complejos que se encuentran en la naturaleza, como los que se encuentran en el cerebro humano. Además, incluso cuando un sistema es 3-D, es extremadamente difícil incorporar más de un tipo de material en una pequeña estructura 3-D. Sin embargo, con este avance, se ha adaptado toda una clase de dispositivos bioelectrónicos tridimensionales para el campo de la medicina regenerativa.

“Ahora, con nuestra electrónica pequeña y blanda en 3-D, la capacidad de construir dispositivos que imitan las complejas formas biológicas que se encuentran en el cuerpo humano es finalmente posible, proporcionando una comprensión mucho más holística de una cultura”, dijo John Rogers de Northwestern, quien Lideró el desarrollo de tecnología utilizando tecnología similar a la que se encuentra en teléfonos y computadoras. “Ya no tenemos que comprometer la función para lograr la forma óptima de interactuar con nuestra biología”.

Como siguiente paso, los científicos utilizarán los dispositivos para comprender mejor las enfermedades neurológicas, probar medicamentos y terapias que tienen potencial clínico y comparar diferentes modelos de células derivadas de pacientes. Esta comprensión permitirá una mejor comprensión de las diferencias individuales que pueden explicar la amplia variación de los resultados observados en la rehabilitación neurológica.

“Como científicos, nuestro objetivo es hacer que la investigación de laboratorio sea lo más relevante clínicamente posible”, dijo Kristen Cotton, asistente de investigación en el laboratorio del Dr. Franz. “Esta plataforma 3-D abre la puerta a nuevos experimentos, descubrimientos y avances científicos en la medicina de neurorrehabilitación regenerativa que nunca han sido posibles”.

Fuente:

Referencia de la revista:

Park, Y., et al. (2021) Interfaces neuronales tridimensionales y multifuncionales para esferoides corticales y ensambloides diseñados. Avances de la ciencia. doi.org/10.1126/sciadv.abf9153.

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