Investigadores desarrollan un nanogenerador que permite estimular células vivas

Consigue generar un pequeño campo eléctrico alrededor de la célula sin necesidad de alimentación externa. El desarrollo, liderado por el CSIC y la UAB, persigue desarrollar terapias de estimulación eléctrica a nivel celular.


Trabajo en la portada de la revista.Un estudio liderado por el Dr. Gonzalo Murillo, investigador del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC),  y la Dra. Carme Nogués, investigadora del Departamento de Biología Celular, Fisiología e Immunología de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), demuestra que es posible el uso de nanogeneradores piezoeléctricos para estimular eléctricamente células vivas. El nanogenerador, creado y fabricado por los científicos del IMB-CSIC y probado por el equipo de UAB, es extraordinariamente reducido (tiene un grosor de unas decenas de nanometros) y no necesita fuente de energía externa, dos características que hasta la fecha no se habían conseguido nunca.  

Desde el siglo XVIII, se vienen utilizando los impulsos eléctricos como terapia para diferentes enfermedades. Se ha demostrado que trastornos como la epilepsia, la esquizofrenia, el Parkinson, el Alzheimer o las depresiones, entre otros, pueden ser tratados estimulando eléctricamente el sistema nervioso central o el nervio vago. En 2015, se propuso un nuevo concepto de tratamiento terapéutico, “la bioelectrónica”, que utiliza impulsos eléctricos en lugar de los fármacos basados en compuestos químicos.

Con el avance de la nanotecnología, se ha investigado el desarrollo y uso de dispositivos miniaturizados que puedan ser implantados en el cuerpo humano, para aplicar este tratamiento de forma localizada. Sin embargo, el tamaño de los dispositivos es aún demasiado grande para tratar células de manera individual. Además, todos los sistemas necesitan una fuente energética que lo alimente desde fuera.

Una alternativa reciente es recoger la energía biomecánica del propio paciente para alimentar los dispositivos, pero estos últimos siguen siendo, todavía, cientos de veces más grandes que las células humanas.

En esta línea se enmarca el trabajo del IMB-CSIC y de la UAB, que se acaba de publicar en la revista Advanced Materials y que ha merecido una de sus últimas portada. “El resultado demuestra que la interacción electromecánica entre un nanogenerador y células humanas genera un pequeño campo eléctrico, que estimula y modula la actividad celular sin causar daño, ni la necesidad de aplicar ningún otro estímulo externo, ni físico ni químico”, explica Gonzalo Murillo, del IMB-CSIC.

Energía generada por la interacción célula-nanogenerador

Para el trabajo, se han cultivado células de hueso (osteoblastos) sobre un sustrato cubierto de nanogeneradores. Los nanogeneradores están formados por una novedosa estructura planar de óxido de zinc (ZnO). La fuerza inherente que ejerce la célula cuando se adhiere al material dobla dicha nanoestructura, la cual, a su vez, reacciona generando un leve impulso eléctrico (debido a las conocidas propiedades piezoeléctricas del material), capaz de estimular eléctricamente dicha célula.

Este impulso eléctrico desencadena la apertura de los canales iónicos de la membrana celular, lo que a su vez induce el paso del calcio desde el medio de cultivo al interior de la célula. Es el aumento de calcio, observado por los científicos, lo que demuestra que los nanogeneradores son capaces de provocar un estímulo eléctrico sin necesidad de una fuente de energía adicional.

Carme Nogués, de la UAB, explica que “este tipo de canales están presentes en varias células excitables, como neuronas, células musculares u óseas, a las cuales se les podría aplicar el mismo método. Está demostrado que los estímulos eléctricos aumentan, en el tejido óseo, la diferenciación de los osteoblastos y, en consecuencia, la calcificación de los huesos. En neuronas, el potencial de acción permite abrir los canales iónicos y, por lo tanto, estimular un circuito neuronal. Por su parte, en las células musculares estriadas, son responsables de la contracción muscular”.

Los científicos también han mostrado que la viabilidad, proliferación y diferenciación de las células no se ven afectadas por la presencia del nanogenerador. Actualmente, ya están trabajando en la obtención de nanogeneradores biocompatibles y  biodegradables en suspensión, que podrán ser activados inalámbricamente, y que han bautizado como ‘nanodispositivos bioelectrónicos’. Estos nanodispositivos se podrían implantar en cualquier tejido de un paciente y activarlos remotamente.

El estudio está en una fase preliminar. “Queda un largo recorrido antes que estos nanogeneradores puedan ser utilizados en implantes óseos para acelerar la osificación de una fractura mediante autoestimulacion eléctrica o como terapia médica”, explica el Dr. Jaume Esteve, investigador del IMB-CSIC  y uno de los artífices del nanogenerador, junto a Murillo.

“En un futuro, esta forma de estimulación eléctrica podría ser aplicada a otras células, como neuronas o células musculares, y abrir camino hacia nuevas aplicaciones bioelectrónicas y a un cambio de paradigma respecto a los tratamientos terapéuticos farmacológicos actuales”, añade Gonzalo Murillo.

A comienzos de 2017, el desarrollo tecnológico y el proceso de fabricación de los  nanodispositivos bioelectrónicos han sido patentados a nivel europeo por el CSIC. 

Este trabajo se enmarca en la línea de investigación dirigida por Gonzalo Murillo, que desarrolla sistemas capaces de obtener la micro-energía que proviene de las vibraciones, el movimiento del cuerpo humano o maquinaría y otros tipos de energía mecánica ambiental.

Artículo de referencia:   Bioelectronics: Electromechanical Nanogenerator–Cell Interaction Modulates Cell Activity (Adv. Mater. 24/2017), Gonzalo Murillo, Andreu Blanquer, Carolina Vargas-Estevez, Lleonard Barrios, Elena Ibáñez, Carmen Nogués, Jaume Esteve

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