La investigación en el ámbito de la bioelectrónica ha dado un paso significativo gracias a un grupo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que ha desarrollado una técnica de biosensado innovadora. Este avance permite monitorizar señales eléctricas en sistemas biológicos sin necesidad de utilizar cables, lo que podría revolucionar la forma en que los biólogos estudian la comunicación celular.
Tradicionalmente, los dispositivos que registran señales eléctricas en cultivos celulares y otros entornos líquidos dependen de cables que conectan cada electrodo a su respectivo amplificador. Este método limita el número de sitios de grabación y, en consecuencia, la cantidad de información que se puede obtener de las células. Sin embargo, los investigadores del MIT han creado un sistema que utiliza antenas inalámbricas diminutas que emplean luz para detectar señales eléctricas mínimas.
Biosensado inalámbrico mediante luz
Las antenas, que tienen un diámetro equivalente a una centésima parte del ancho de un cabello humano, son capaces de medir las señales eléctricas intercambiadas entre las células con una resolución espacial excepcional. Este nuevo enfoque no solo es más práctico, sino que también permite grabaciones continuas de señales durante más de diez horas, lo que facilita que los biólogos comprendan cómo se comunican las células en respuesta a los cambios en su entorno.
Benoît Desbiolles, uno de los autores principales del estudio, señala que «registrar la actividad eléctrica de las células con un alto rendimiento y resolución sigue siendo un verdadero desafío.» La técnica, conocida como antenas orgánicas electro-dispersivas (OCEAN), ha mostrado resultados prometedores, permitiendo registrar señales eléctricas de manera inalámbrica con una resolución de micrómetros desde miles de sitios de grabación simultáneamente.
El desarrollo de estas antenas es un avance importante para el estudio de la biología fundamental y para la evaluación de nuevos tratamientos terapéuticos. Según Deblina Sarkar, profesora asistente en el Laboratorio de Medios del MIT, «la bioelectricidad es fundamental para el funcionamiento de las células y los procesos vitales. Sin embargo, registrar estas señales eléctricas con precisión ha sido un desafío.» Las OCEAN ofrecen una solución a este problema al convertir señales eléctricas en luz, lo que permite su análisis mediante microscopios ópticos, herramientas comunes en los laboratorios de biología.
En el proceso de desarrollo, los investigadores inicialmente utilizaron un polímero especial llamado PEDOT:PSS, incorporando pequeñas piezas de filamento de oro para dispersar la luz. Sin embargo, los resultados no coincidían con el modelo teórico esperado. Al eliminar el oro, los investigadores se dieron cuenta de que estaban midiendo señales del polímero en sí, lo que les llevó a optimizar la técnica y a desarrollar las OCEAN.
Las OCEAN funcionan al atraer o repeler iones positivos del entorno líquido cuando hay actividad eléctrica cercana, lo que modifica sus propiedades ópticas. Al iluminar la antena, la intensidad de la luz que dispersa cambia en función de la señal eléctrica presente. Gracias a su diseño, cada antena actúa como un sensor independiente, lo que permite detectar señales con alta resolución sin necesidad de agregar múltiples antenas.
El proceso de fabricación de estos dispositivos se realiza en las instalaciones de MIT.nano, donde los investigadores utilizan un haz de iones enfocado para crear cientos de agujeros a nanoescala en las capas del dispositivo. Este método de fabricación de alta precisión permite la creación de chips con millones de antenas, lo que resulta en una técnica escalable y eficiente.
La sensibilidad de las OCEAN ha sido optimizada para detectar señales con voltajes tan bajos como 2.5 milivoltios, lo que es crucial para estudiar la comunicación neuronal, que generalmente se sitúa alrededor de los 100 milivoltios. Además, estas antenas responden a cambios en las señales en solo unos pocos milisegundos, lo que les permite grabar señales eléctricas con una rápida cinética. Los investigadores planean probar estos dispositivos en cultivos celulares reales y explorar su integración en dispositivos nanofotónicos, ampliando así su potencial en la detección de señales a nivel celular.
Este trabajo de investigación ha sido financiado en parte por los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. y la Fundación Nacional Suiza de Ciencia.
