El Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC y la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) han desarrollado una nueva generación de microdispositivos piezoeléctricos inalámbricos capaces de estimular eléctricamente células vivas a nivel individual. El estudio, publicado recientemente en la revista Small y seleccionado como portada principal, demuestra cómo estos microdispositivos pueden convertir fuerzas mecánicas, ya sean producidas por las propias células o aplicadas externamente mediante ultrasonidos, en señales eléctricas que permiten la activación de procesos celulares de forma controlada y no invasiva.
Este trabajo se enmarca en el ámbito de la electrocéutica, terapias basadas en la aplicación de estímulos eléctricos para modular procesos celulares o tisulares que, a su vez, permiten el control de señales o la reparación de tejidos. Para valorar el alcance, es necesario aclarar qué se entiende por “activación celular”. Este concepto se refiere a la respuesta de una célula ante un estímulo, sea interno o externo, que desencadena procesos a nivel celular, como la proliferación o diferenciación. En este estudio, el estímulo es el campo eléctrico local producido por nanogeneradores piezoeléctricos de óxido de zinc en respuesta a una actuación mecánica. Esta acción produce un incremento en la activación celular. mediante rutas de señalización por calcio en el momento del estímulo.
“Los microdispositivos desarrollados logran aplicar estímulos en células individuales y, debido a su tamaño de decenas de micras, permitiría una terapia muy precisa y dirigida. Además, dicha estimulación es inalámbrica y mínimamente invasiva puesto que se actúan de manera remota mediante ultrasonidos en el rango biomédico”, aclara Laura Lefaix, investigadora del IMB-CNM-CSIC en el grupo NEMESYS Lab y primera autora del estudio.
Piezoelectricidad para estimulación celular
A la hora de fabricar estos dispositivos, la Sala Blanca del IMB-CNM ha sido clave en el proceso. La microfabricación basada en silicio es la base tecnológica que permite el desarrollo de micropartículas de dióxido de silicio sobre las que se integran estos nanogeneradores de óxido de zinc. Este material piezoeléctrico es el responsable de generar un campo eléctrico local al ser sometido a una deformación mecánica, en este caso por los ultrasonidos.
Los ensayos celulares que han permitido confirmar la funcionalidad de los microdispositivos se han llevado a cabo en las instalaciones del departamento de Biología Celular, Fisiología e Inmunología de la UAB, en el grupo liderado por Andreu Blanquer y Carme Nogués, BioTEn Lab. El equipo investigador empleó diversos indicadores para evaluar la activación, entre ellos, cambios en los niveles de calcio intracelular y variaciones en el potencial de membrana, ambos fundamentales en la señalización celular, el proceso mediante el cual las células reciben y responden a señales. En este sentido, Andreu Blanquer destaca que “los resultados obtenidos han permitido demostrar que estos microdispositivos son capaces de inducir cambios a nivel de membrana celular y conocer el mecanismo por el cual se activan las células. Este tipo de modulación bioeléctrica es clave para entender cómo los estímulos físicos pueden traducirse en señales biológicas”.
El trabajo combina simulación y experimentación, lo que permite comprender los mecanismos de funcionamiento de la estimulación, así como validar el funcionamiento de los microdispositivos. Uno de los principales retos consistía en evaluar los parámetros de la actuación mediante ultrasonidos para una óptima estimulación eléctrica de las células, así como entender los mecanismos fundamentales por los cuales se produce esta interacción.
Laura Lefaix señala que “los resultados validan la idea de que se puede reducir el tamaño de los dispositivos piezoeléctricos al orden de las decenas de micras manteniendo su funcionalidad”, lo que se refleja en que “mediante este método se activaron hasta el 58% de las células en la muestra de forma controlada”. Los microdispositivos se ensayaron en células óseas (línea Saos-2) debido a que resultan un modelo robusto para este tipo de experimentos por la presencia de canales iónicos activados por voltaje en sus membranas.
Gonzalo Murillo, investigador del IMB-CNM, coordinador del estudio y Premio Nacional de Investigación para Jóvenes ‘Ángela Ruiz Robles’ 2023, añade que, además de su eficacia, “el microdispositivo presenta ventajas relevantes desde el punto de vista tecnológico, ya que es biocompatible, permite una estimulación inalámbrica y localizada, y su fabricación es escalable y adaptable, lo que facilita la producción masiva de microdispositivos con diferentes configuraciones”.
Continuidad de una línea de investigación emergente
Titulado Suspendable and Scalable Ultrasound-Actuated ZnO-Nanosheet-Based Piezoelectric Microdevices for Wireless Electrical Stimulation of Cells, el estudio cuenta con una amplia participación de investigadores del IMB-CNM-CSIC, incluyendo a Laura Lefaix, Gonzalo Murillo, Marc Navarro y Jaume Esteve. También con participación de la UAB, Andreu Blanquer y Carme Nogués, y del Institute of Physiology of the Czech Academy of Sciences, Lucie Bacakova. Los resultados han sido publicados en la revista Small, donde el artículo ha sido seleccionado como portada principal, destacando la relevancia y el carácter innovador del trabajo.
Dando continuidad a investigaciones previas del equipo, el trabajo va un paso más allá en la demostración de la capacidad de estos microdispositivos para activar células mediante interacciones electromecánicas con el material. En esta ocasión, se amplía el concepto mediante la introducción de estimulación remota basada en ultrasonidos, consolidando una línea de investigación con gran potencial en el ámbito de la bioelectrónica.