¿Qué pasaría si un médico pudiera implantar un pequeño chip electrónico en el cerebro que estimula eléctricamente un objetivo preciso simplemente inyectándolo en el brazo? Esto algún día podría ayudar a tratar enfermedades cerebrales fatales o debilitantes, eliminando al mismo tiempo los riesgos y costos asociados con la cirugía.
Los investigadores del MIT han dado un paso importante para hacer realidad este escenario. Han desarrollado bioelectrónica inalámbrica microscópica que puede viajar a través del sistema circulatorio del cuerpo y autoimplantarse de forma autónoma en áreas específicas del cerebro, donde pueden proporcionar un tratamiento intensivo.
En un estudio con ratones, los investigadores demostraron que después de la inyección, estos pequeños implantes pueden identificar y navegar a regiones específicas del cerebro sin necesidad de guía humana. Una vez allí, se puede alimentar de forma inalámbrica para administrar estimulación eléctrica en áreas precisas. Esta estimulación, conocida como neuromodulación, se ha mostrado prometedora como forma de tratar enfermedades como los tumores cerebrales, la enfermedad de Alzheimer y la esclerosis múltiple.
Además, debido a que los dispositivos electrónicos están integrados con células biológicas vivas antes de ser inyectados, no son atacados por el sistema inmunológico del cuerpo y pueden cruzar intactos la barrera hematoencefálica. Esto mantiene la importante protección de la barrera para el cerebro.
Los investigadores demostraron el uso de esta tecnología, a la que llaman “circulatrónica”, para atacar la inflamación cerebral, un factor clave en la progresión de muchas enfermedades neurológicas. Muestran que el implante puede proporcionar neuromodulación localizada en lo profundo del cerebro y lograr una alta precisión dentro de unas pocas micras alrededor del área objetivo.
Además, los implantes biocompatibles no dañan las neuronas circundantes.
Los implantes cerebrales normalmente requieren cientos de miles de dólares en costos médicos y procedimientos quirúrgicos riesgosos, pero al eliminar la necesidad de cirugía, la tecnología circulartronics tiene el potencial de hacer que los implantes cerebrales terapéuticos estén disponibles para todos, dijo Debrina Sarkar, profesora asociada de desarrollo profesional de AT&T en el MIT Media Lab y el MIT Center for Neurobiological Engineering, directora del Nanocybernetic BioTrek Lab y autor principal del estudio.
En el artículo se une a ella el autor principal y estudiante graduado del MIT, Shubham Yadav. Lo mismo ocurre con otras universidades: el MIT, el Wellesley College y la Universidad de Harvard. La investigación se publica hoy en Nature Biotechnology.
implante híbrido
El equipo lleva más de seis años trabajando en circulartronics. Cada dispositivo electrónico tiene aproximadamente una milmillonésima parte de la longitud de un grano de arroz y consta de capas de polímeros semiconductores orgánicos intercaladas entre capas metálicas, formando una heteroestructura electrónica.
Estos se fabrican mediante un proceso compatible con CMOS en las instalaciones de MIT.nano y luego se integran con células vivas para crear un híbrido celular-electrónico. Para ello, los investigadores levantan el dispositivo de la oblea de silicio en la que fue fabricado y lo suspenden en una solución.
“La electrónica funcionó perfectamente cuando estaba conectada a la placa, pero dejó de funcionar cuando la retiramos por primera vez. Nos tomó más de un año resolver ese problema”, dijo Sarkar.
La clave de su funcionamiento es la alta eficiencia de conversión de energía inalámbrica de los pequeños dispositivos electrónicos. Esto permite que el dispositivo funcione profundamente dentro del cerebro y tenga suficiente energía disponible para la neuromodulación.
Los investigadores utilizan reacciones químicas para unir dispositivos electrónicos a las células. La nueva investigación combina la electrónica con un tipo de célula inmune llamada monocito que se dirige a áreas de inflamación en el cuerpo. La aplicación de un tinte fluorescente también permitió rastrear cuando el dispositivo cruzó la barrera hematoencefálica intacta y se autoimplantó en la región cerebral objetivo.
Los investigadores están investigando la inflamación en el cerebro en este estudio, pero esperan utilizar diferentes tipos de células y manipularlas para apuntar a áreas específicas del cerebro.
“Nuestro híbrido celular-electrónico combina la versatilidad de la electrónica con el transporte biológico y las capacidades de detección bioquímica de las células vivas”, dice Sarkar. “Las células vivas camuflan los componentes electrónicos del ataque del sistema inmunológico del cuerpo y les permiten viajar sin problemas a través del torrente sanguíneo. Esto también les permite cruzar una barrera hematoencefálica intacta sin abrirla de forma invasiva”.
A lo largo de unos cuatro años, el equipo de investigación perfeccionó esta técnica de integración celular probando numerosos métodos para cruzar de forma autónoma y no invasiva la barrera hematoencefálica.
Además, debido a que los dispositivos circulartrónicos son tan pequeños, ofrecen una precisión mucho mayor que los electrodos tradicionales. Pueden autoimplantarse y producir millones de sitios de estimulación microscópica que adoptan la forma exacta del área objetivo.
Además, debido a su pequeño tamaño, los dispositivos biocompatibles pueden coexistir con las neuronas sin provocar efectos nocivos. A través de una serie de pruebas de biocompatibilidad, los investigadores descubrieron que la circulartrónica se puede integrar de forma segura entre neuronas sin afectar los procesos cerebrales detrás de la cognición o el movimiento.
Después de que el dispositivo se autoimplanta en el área objetivo, un médico o investigador utiliza un transmisor externo para emitir ondas electromagnéticas en forma de radiación infrarroja cercana, que impulsa la tecnología y permite la estimulación eléctrica de las neuronas.
atacar enfermedades mortales
El Instituto Sarkar trabaja actualmente en el desarrollo de tecnologías para tratar múltiples enfermedades como tumores cerebrales, enfermedad de Alzheimer y dolor crónico.
El pequeño tamaño y la capacidad de autoimplantación de los dispositivos Circulatronics pueden hacerlos adecuados para el tratamiento de tumores cerebrales como el glioblastoma, que causa tumores en múltiples ubicaciones, algunos de los cuales pueden ser demasiado pequeños para ser identificados mediante técnicas de imagen. También pueden ofrecer nuevas vías para tratar cánceres particularmente mortales, como el glioma pontino intrínseco difuso, un tumor agresivo que se encuentra en el tronco del encéfalo y que normalmente no se puede extirpar quirúrgicamente.
“Esta es una tecnología de plataforma que tiene el potencial de ser adoptada para tratar múltiples trastornos cerebrales y psiquiátricos”, dijo Sarkar. “Además, esta tecnología no se limita al cerebro y podría extenderse a otras partes del cuerpo en el futuro”.
Los investigadores esperan llevar la tecnología a ensayos clínicos dentro de tres años a través de su startup Cahira Technologies recientemente lanzada.
También estamos explorando la integración de circuitos nanoelectrónicos adicionales en el dispositivo para permitir funciones como la detección, la retroalimentación basada en el análisis de datos en el chip y la creación de neuronas electrónicas sintéticas.
“Nuestros diminutos dispositivos electrónicos se integran perfectamente con las neuronas, coexistiendo y simbióticamente con las células cerebrales, creando una relación simbiótica única entre el cerebro y la computadora. Estamos dedicados a emplear esta tecnología para tratar enfermedades neurológicas que son resistentes a los medicamentos y tratamientos estándar, para aliviar el sufrimiento humano e imaginar un futuro en el que los humanos trasciendan las enfermedades y las limitaciones biológicas”, dijo Sarkar.
