Los investigadores utilizan nanopartículas como calentadores para manipular la actividad eléctrica de las neuronas



Los nanomateriales se han utilizado en una variedad de aplicaciones emergentes, como en productos farmacéuticos específicos o para reforzar otros materiales y productos, como sensores y dispositivos de almacenamiento y recolección de energía. Un equipo de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis está utilizando nanopartículas como calentadores para manipular la actividad eléctrica de las neuronas en el cerebro y de los cardiomiocitos en el corazón.

Los hallazgos, publicados el 3 de julio de 2021 en Materiales avanzados, tienen el potencial de ser traducidos a otros tipos de células excitables y sirven como una valiosa herramienta en nano-neuroingeniería.

Srikanth Singamaneni, científico de materiales, y Barani Raman, ingeniero biomédico, y sus equipos colaboraron para desarrollar una tecnología no invasiva que inhibe la actividad eléctrica de las neuronas utilizando nanopartículas de polidopamina (PDA) y luz infrarroja cercana. Las nanopartículas de PDA cargadas negativamente, que se unen selectivamente a las neuronas, absorben la luz del infrarrojo cercano que crea calor, que luego se transfiere a las neuronas, inhibiendo su actividad eléctrica.

Demostramos que podemos inhibir la actividad de estas neuronas y detener su activación, no solo de forma intermitente, sino de manera gradual. Controlando la intensidad de la luz, podemos controlar la actividad eléctrica de las neuronas. Una vez que detuvimos la luz, podemos traerlos de vuelta por completo sin ningún daño “.

Srikanth Singamaneni, profesor de Lilyan & E. Lisle Hughes en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales

Además de su capacidad para convertir la luz en calor de manera eficiente, las nanopartículas de PDA son altamente biocompatibles y biodegradables. Las nanopartículas eventualmente se degradan, lo que las convierte en una herramienta conveniente para su uso en in vitro y en vivo experimentos en el futuro.

Raman, profesor de ingeniería biomédica, compara el proceso con agregar crema a una taza de café.

“Cuando se vierte la crema en el café caliente, se disuelve y se convierte en café cremoso a través del proceso de difusión”, explicó. “Es similar al proceso que controla qué iones entran y salen de las neuronas. La difusión depende de la temperatura, por lo que si manejas bien el calor, controlas la velocidad de difusión cerca de las neuronas. Esto a su vez impactar la actividad eléctrica de la célula. Este estudio demuestra el concepto de que el efecto fototérmico, que convierte la luz en calor, cerca de las proximidades de las neuronas etiquetadas con nanopartículas se puede utilizar como una forma de controlar neuronas específicas de forma remota “.

Para continuar con la analogía del café, el equipo ha diseñado una espuma fototérmica que es similar a un terrón de azúcar, formando una población densa de nanopartículas en envases ajustados que actúan más rápidamente que los cristales de azúcar individuales que se dispersan, dijo Raman.

“Con tantos de ellos empaquetados en un volumen pequeño, la espuma es más rápida para transducir la luz en calor y brinda un control más eficiente solo a las neuronas que queremos”, dijo. “No es necesario utilizar potencia de alta intensidad para generar el mismo efecto”.

Además, el equipo, que incluye a Jon Silva, profesor asociado de ingeniería biomédica, aplicó las nanopartículas de PDA a los cardiomiocitos o células del músculo cardíaco. Curiosamente, el proceso fototérmico excitó a los cardiomiocitos, lo que demuestra que el proceso puede aumentar o disminuir la excitabilidad en las células según su tipo.

“La excitabilidad de una célula o tejido, ya sean cardiomiocitos o células musculares, depende hasta cierto punto de la difusión”, dijo Raman. “Si bien los cardiomiocitos tienen un conjunto diferente de reglas, se puede esperar que el principio que controla la sensibilidad a la temperatura sea similar”.

Ahora, el equipo está analizando cómo responden los diferentes tipos de neuronas al proceso de estimulación. Se dirigirán a neuronas particulares uniendo selectivamente las nanopartículas para proporcionar un control más selectivo.

Fuente:

Referencia de la revista:

Derami, HG, et al. (2021) Modulación fototérmica reversible de la actividad eléctrica de células excitables usando nanopartículas de polidopamina. Materiales avanzados. doi.org/10.1002/adma.202008809.

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