Investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de California en San Diego y sus colaboradores han desarrollado una técnica que les permite acelerar o desacelerar las células del corazón humano que crecen en un plato bajo comando, simplemente al iluminarlas y variar su intensidad. Las células se cultivan en un material llamado grafeno, que convierte la luz en electricidad, proporcionando un entorno más realista que los platos de laboratorio estándar de plástico o vidrio.

El método, descrito en la edición del 18 de mayo de Science Advances , podría usarse para una serie de aplicaciones clínicas y de investigación, que incluyen: probar fármacos terapéuticos en sistemas más relevantes biológicamente, desarrollar fármacos específicos del uso que sean más precisos y tengan menos efectos sistémicos y crear mejores dispositivos médicos, como marcapasos con luz controlada.

"Cuando lo conseguimos por primera vez en nuestro laboratorio, de repente tuvimos algo así como 20 personas reuniéndose, gritando cosas como '¡Imposible!' "Nunca habíamos visto algo así antes", dijo el primer autor Alex Savchenko, Ph.D., científico investigador del Departamento de Pediatría de la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego y Consorcio Sanford de Medicina Regenerativa.

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Investigación Científica

. Savchenko dirigió el estudio con Elena Molokanova, Ph.D., CEO de Nanotools Bioscience.

Si bien en cierto modo, simplemente una versión más delgada de grafito ("lápiz de plomo"), las propiedades únicas del grafeno solo fueron realmente apreciadas recientemente, un esfuerzo reconocido con el Premio Nobel de Física 2010, otorgado a Andre Geim, Ph.D., y Kostantin Novoselov, Ph.D., ambos físicos en la Universidad de Manchester en el Reino Unido.

El grafeno es un semimetal formado por un entramado de átomos de carbono, el mismo elemento que forma la base de todos los organismos vivos. Parte de lo que hace que el grafeno sea especial es su capacidad para convertir eficientemente la luz en electricidad. Por el contrario, el vidrio y el plástico son aislantes, no conducen electricidad. La mayoría de la investigación biomédica se basa en células individuales o cultivos celulares cultivados en placas de Petri de plástico o en placas de vidrio.

"Sin embargo, en su cuerpo, no se ven muchas superficies que actúen como plástico o vidrio", dijo Savchenko. "En cambio, somos conductores. Nuestros corazones son extremadamente buenos para conducir electricidad. En el cerebro, es la conductividad eléctrica la que me permite pensar y hablar al mismo tiempo".

Savchenko, Molokanova y otros investigadores

Han observado que las células del laboratorio crecen mejor en el grafeno que otros materiales y se comportan más como las células en el cuerpo.

Savchenko y Molokanova acreditan sus antecedentes en física por ayudarlos a ver los sistemas biológicos de una manera un poco diferente a la mayoría.

En este estudio, los investigadores generaron células cardíacas de células de la piel donadas, a través de un tipo de célula intermedia llamada célula madre pluripotente inducida (iPSC). Luego cultivaron estas células cardíacas derivadas de iPSC en una superficie de grafeno.

"Nos sorprendió el grado de flexibilidad, que el grafeno le permite mover las células literalmente a voluntad", dijo Savchenko. "¿Quieres que peguen el doble de rápido? No hay problema, solo aumentas la intensidad de la luz. ¡Tres veces más rápido! No hay problema: aumenta la densidad de la luz o el grafeno".

Savchenko y sus colegas descubrieron que también podrían controlar la actividad cardíaca en un organismo vivo (embriones de pez cebra) .

El equipo también se sorprendió por la ausencia de toxicidad, que a menudo presenta a los investigadores un gran desafío. "Normalmente, si introduce un nuevo material en biología, esperaría ver una determinada cantidad de células muertas en el proceso", dijo Savchenko. "Pero no vimos nada de eso. Nos da la esperanza de que podamos evitar problemas dañinos más adelante, ya que probamos varias aplicaciones médicas".

Los investigadores están entusiasmados con las muchas aplicaciones posibles para este nuevo sistema de grafeno / luz. Un uso potencial es en la detección de drogas. Actualmente, los investigadores usan la tecnología robótica para probar cientos de miles de compuestos químicos, seleccionándolos para detectar sus capacidades y cambiar el comportamiento de una célula. Aquellos compuestos que tienen el efecto deseado se estudian adicionalmente por su potencial como un nuevo fármaco terapéutico. Sin embargo, es posible que se pasen por alto muchos compuestos beneficiosos porque sus efectos no son evidentes en la condición en la que se cultivan las células de prueba, en plástico, fuera del contexto de la enfermedad.

Por ejemplo, los investigadores pueden probar medicamentos en células cardíacas cultivadas en un plato estándar de laboratorio de plástico. Pero esas células se contraen a su propio ritmo, sin modelar las condiciones que podrían existir justo antes de que una persona tenga un ataque cardíaco. Los medicamentos que prueban en esas células pueden no parecer hacer nada si son dependientes del uso, lo que significa que las drogas solo tienen un efecto bajo ciertas condiciones.

Para probar esta aplicación

El equipo agregó mexiletine, un medicamento utilizado para tratar los latidos cardíacos irregulares (arritmias), a las células de su corazón. La mexiletina es conocida por ser dependiente del uso; solo tiene un efecto cuando hay un aumento en la frecuencia cardíaca, como ocurre durante una arritmia. Los investigadores iluminaron sus células cardíacas con grafeno con luz de diferentes intensidades. Cuanto más rápido ganaban las células del corazón, mejor mexiletina las inhibía.

Por ahora, el equipo se centra en las células del corazón y las neuronas. Pero están interesados ​​en eventualmente aplicar su sistema de luz / grafeno para buscar medicamentos que maten específicamente a las células cancerosas, mientras que dejan las células sanas en paz. Los investigadores también prevén el uso de grafeno para encontrar alternativas a los opioides: medicamentos para el dolor dependientes del uso que solo funcionan cuando y donde una persona tiene dolor, reduciendo así los efectos sistémicos que pueden conducir al mal uso y la adicción. Finalmente, Savchenko cree que los marcapasos controlados por luz hechos podrían ser más seguros y más efectivos que los modelos actuales.

Hay mucho trabajo por hacer, pero Savchenko es optimista. "Se puede exprimir un medio año de experimentos con animales en un día de experimentos con este sistema basado ", dijo.

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