Investigadores de la Universidad Técnica de Delft, en los Países Bajos, han desarrollado un entorno 3D impreso que simula las condiciones del cerebro, permitiendo que las neuronas crezcan de manera similar a como lo harían en un tejido cerebral real. Este avance, publicado en la revista Advanced Functional Materials, ofrece nuevas perspectivas sobre la formación de redes neuronales y representa una herramienta innovadora para estudiar trastornos neurológicos como el Alzheimer, el Parkinson y los trastornos del espectro autista.
Las neuronas, células fundamentales del cerebro, forman redes al intercambiar señales, lo que permite que el cerebro aprenda y se adapte a un ritmo asombroso. Para emular el tejido neural blando y las fibras de la matriz extracelular del cerebro, los investigadores han utilizado arrays de nanopilares, que son estructuras diminutas diseñadas con una técnica de impresión 3D de precisión nanométrica conocida como polimerización por dos fotones.
Un entorno que promueve el crecimiento neuronal
Estos nanopilares, que son mil veces más delgados que un cabello humano, se disponen en forma de pequeños bosques sobre una superficie. Al modificar el ancho y la altura de los pilares, los investigadores pueden ajustar el módulo de corte efectivo, una propiedad mecánica que las células detectan al moverse sobre estructuras micro o nanométricas. Según el profesor asociado Angelo Accardo, esta configuración «engaña» a las neuronas, haciéndolas «pensar» que están en un entorno cerebral blando, a pesar de que el material de los nanopilares es rígido. Al doblarse bajo el movimiento de las neuronas, estos pilares simulan la suavidad del tejido cerebral y proporcionan una estructura tridimensional en la que las neuronas pueden anclarse, similar a las nano-fibras de la matriz extracelular del tejido cerebral real.
Los investigadores llevaron a cabo pruebas con tres tipos diferentes de células neuronales, derivadas de tejido cerebral de ratón o de células madre humanas, cultivándolas sobre los nanopilares. A diferencia de lo que ocurre en los platos de Petri tradicionales, donde las neuronas tienden a crecer en direcciones aleatorias, en las matrices de nanopilares impresas en 3D, los tres tipos celulares desarrollaron patrones de crecimiento más organizados, formando redes en ángulos específicos.
La investigación también aportó nuevos conocimientos sobre los conos de crecimiento neuronal, estructuras similares a manos que guían las puntas de las neuronas en su búsqueda de nuevas conexiones. En superficies planas, los conos de crecimiento se expanden y permanecen relativamente aplanados. Sin embargo, en las matrices de nanopilares, estos conos envían proyecciones largas y similares a dedos, explorando su entorno en todas las direcciones, no solo a lo largo de un plano, sino también en un espacio tridimensional, tal como sucedería en un cerebro real.
El sistema no solo influye en la dirección del crecimiento neuronal, sino que también parece fomentar la maduración neuronal. Las células madre neurales cultivadas sobre los pilares mostraron niveles más altos de un marcador asociado a neuronas maduras en comparación con aquellas cultivadas en superficies planas. Este hallazgo resalta la importancia de crear un entorno que no solo imite las condiciones físicas del cerebro, sino que también propicie el desarrollo adecuado de las neuronas.
A pesar de que el uso de materiales blandos como geles podría parecer una alternativa viable para cultivar neuronas, estos suelen presentar variabilidad entre lotes y carecen de características geométricas diseñadas racionalmente. La innovación de los arrays de nanopilares combina las ventajas de un entorno suave y características nanométricas, además de ofrecer una alta reproducibilidad gracias a la precisión de la polimerización por dos fotones.
Este modelo tiene el potencial de ofrecer nuevos conocimientos sobre las diferencias entre las redes cerebrales saludables y aquellas asociadas con trastornos neurológicos, permitiendo avanzar en la comprensión de condiciones como el Alzheimer, el Parkinson y los trastornos del espectro autista.
