Diseñan un microdispositivo que convierte el movimiento en electricidad para estimular células

Un equipo formado por el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y la Universidad Autónoma de Barcelona ha diseñado un microdispositivo que convierte el movimiento del propio tejido en impulsos eléctricos capaces de estimular células de forma localizada.

Según ha explicado el CSIC en un comunicado, este avance abre nuevas posibilidades para terapias inalámbricas de estimulación controlada de células mediante impulsos eléctricos (electromodulación), con aplicaciones potenciales en el futuro en enfermedades degenerativas, neurológicas o musculares, así como en procesos de regeneración y cicatrización.

Para probar el dispositivo, aún en fase experimental, se han utilizado cultivos celulares, donde ha demostrado su capacidad para inducir respuestas eléctricas localizadas, es decir, en regiones muy concretas, sin necesidad de cables, baterías, ni cirugía profunda, según los resultados del estudio publicados en 'Advanced Science'.

El dispositivo está formado por diminutas partículas de silicio, similares en tamaño a una célula, que están recubiertas con una capa de óxido de zinc. Este material tiene una propiedad especial llamada piezoelectricidad, que permite generar pequeños campos eléctricos cuando se deforma, por ejemplo, bajo presión o movimiento. Esta propiedad permite que el dispositivo se active con los propios movimientos de las células del tejido donde se encuentra, sin necesidad de fuentes externas de energía.

"El proceso de fabricación del microdispositivo ofrece una gran versatilidad, ya que permite ajustar tanto el tamaño de las partículas de silicio como las dimensiones de las nanoláminas, facilitando su adaptación a los distintos requerimientos de estimulación de cada tipo celular", ha explicado la investigadora predoctoral en el IMB-CNM Laura Lefaix, primera autora del estudio.

INDUCIR RESPUESTAS CELULARES

La investigación ha demostrado que el dispositivo puede generar un campo eléctrico suficiente para inducir respuestas celulares, como el aumento de calcio intracelular, que es un indicador de activación. Para ello, se optimizó el grosor y la forma de nanoláminas de óxido de zinc (láminas con un grosor de millonésimas de milímetro), de modo que fueran lo bastante sensibles al movimiento celular pero también estables estructuralmente.

Además de su capacidad para estimular células, el estudio ha abordado un aspecto clave para su aplicación terapéutica, como es la internalización celular. Cuando un dispositivo es demasiado pequeño, puede ser absorbido por las células, lo que dificulta controlar su efecto y puede alterar procesos internos. En este trabajo, se probaron tres tamaños distintos de micropartículas en dos tipos de células del hueso: osteoblastos sanos y células tumorales de osteosarcoma.

Los resultados muestran que las células tumorales llegaron a absorber hasta un 50 por ciento de los dispositivos más pequeños, mientras que en las células sanas la absorción fue inferior al 10 por ciento. Esta diferencia se debe a que las células tumorales tienen mecanismos de absorción más activos, como la macropinocitosis, que les permite incorporar partículas de mayor tamaño. En cambio, las células sanas tienden a mantener los dispositivos en el exterior, en contacto con la membrana celular, lo que permite una estimulación más controlada y segura.

Según han detallado los investigadores, este control sobre la localización del dispositivo para que permanezca fuera de la célula es esencial para garantizar que el campo eléctrico actúe sobre la membrana celular, que regula funciones generales (proliferación o diferenciación celular) y específicas de cada tejido (contracción muscular o transmisión del impulso nervioso).

Este trabajo supone un importante avance hacia el desarrollo de terapias eléctricas de alta precisión, con menos efectos secundarios. Además, su compatibilidad con tecnologías MEMS (sistemas microelectromecánicos) permite incorporar sensores, actuadores o circuitos de control en plataformas miniaturizadas, una versatilidad que abre la puerta a dotar a este dispositivo en desarrollo de funcionalidades adicionales, como la capacidad de responder a estímulos externos, como ultrasonidos, o registrar información sobre el entorno celular.