Las neuronas son las unidades fundamentales del cerebro y del sistema nervioso, las células responsables de recibir información sensorial del mundo exterior, de enviar órdenes motoras a nuestros músculos y de transformar y transmitir las señales eléctricas en cada paso intermedio. Las neuronas, también llamadas células nerviosas, se componen de tres partes principales: el cuerpo celular, las dendritas y el axón, una extensión larga y delgada que se encarga de comunicarse con otras células.
Cuando las neuronas están dañadas por una enfermedad o lesión degenerativa, tienen poca o ninguna capacidad para curarse por sí mismas. Por lo tanto, restaurar las redes neuronales y su función normal es un desafío importante en el campo de la ingeniería de tejidos.
La profesora Orit Shefi y el estudiante de doctorado Reut Plen de la Facultad de Ingeniería Kofkin de la Universidad Bar-Ilan han desarrollado una técnica novedosa para superar este desafío utilizando nanotecnología y manipulaciones magnéticas, uno de los enfoques más innovadores para crear redes neuronales. Su investigación fue publicada recientemente en la revista Advanced Functional Materials.
Para crear redes neuronales, los investigadores inyectaron nanopartículas de óxido de hierro magnético en células progenitoras neuronales, convirtiendo así las células en unidades magnéticas independientes. A continuación, expusieron las células progenitoras, conocidas por convertirse en neuronas, a una serie de campos magnéticos preajustados y dirigieron de forma remota su movimiento dentro de un sustrato de colágeno tridimensional y de múltiples capas que imita las características naturales del tejido corporal. A través de estas manipulaciones magnéticas, crearon «mini-cerebros» tridimensionales: redes neuronales funcionales y de múltiples capas que imitan elementos que se encuentran en el cerebro de los mamíferos.
Después de que la solución de colágeno se solidificara en un gel, las células permanecieron en su lugar de acuerdo con los campos magnéticos aplicados de forma remota. En unos pocos días, las células se convirtieron en neuronas maduras, formaron extensiones y conexiones, demostraron actividad eléctrica y prosperaron en el gel de colágeno durante al menos 21 días.
«Este método allana el camino para la creación de arquitectura celular 3D a escala personalizada para su uso en bioingeniería, aplicaciones terapéuticas y de investigación, tanto dentro como fuera del cuerpo», dice el estudiante de doctorado Reut Plen. «Dado que las redes neuronales 3D que creamos simulan propiedades innatas de los tejidos del cerebro humano, pueden usarse como «mini-cerebros» experimentales y servir como modelo para el estudio de medicamentos, para investigar la comunicación entre tejidos y como una forma de construir redes artificiales para las interfaces entre la ingeniería y los componentes biológicos Además, el modelo sugiere una perspectiva interesante para inyectar dicho gel, que contiene células, en su estado líquido, introducirlo en el sistema nervioso y organizar las células en la estructura correcta con la ayuda de fuerzas magnéticas. La ventaja de usar este método es que los campos magnéticos pueden afectar las células ubicadas en el interior del cuerpo de una manera no invasiva «, agrega Plen.
La inserción de partículas magnéticas en las células, y en particular en las células nerviosas, plantea dudas sobre la seguridad de futuras aplicaciones médicas. «El tema de la seguridad es importante y le hemos dedicado mucho pensamiento e investigación», señala el Prof. Orit Shefi. «En el primer paso, probamos el efecto de diferentes partículas sobre la salud celular en cultivo. Además, recubrimos las partículas magnéticas con una proteína biocompatible. El recubrimiento crea un amortiguador entre el elemento magnético y la célula y fomenta la penetración de las nanopartículas. «Es importante destacar que el hierro, el bloque de construcción de la nanopartícula, existe naturalmente en el cuerpo, por lo que no es una sustancia extraña. Además, el mismo gel con partículas magnéticas se probó en nuestro laboratorio y se encontró que es seguro para usar en modelos animales».
La Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. ya ha aprobado el uso de nanopartículas magnéticas con fines de diagnóstico e imagen y en casos de lesiones graves. Los pasos dados por el grupo de investigación Bar-Ilan crean una oportunidad para avanzar en la tecnología para uso clínico futuro. “Esto es solo el comienzo”, dicen Shefi y Plen. “Nuestro novedoso método de creación de ‘mini-cerebros’ abre la puerta a la búsqueda de soluciones para diversas deficiencias neurológicas que, con suerte, mejorarán la calidad de vida de numerosos pacientes.
