Una sonda extensible mide sustancias químicas en el cerebro que son clave para la enfermedad de Parkinson, la depresión y la enfermedad intestinal

Los desequilibrios en la química del cerebro están en el corazón de muchas enfermedades neurológicas. Estos químicos cerebrales también juegan un papel en la salud intestinal. Entonces, los científicos de la Universidad de Stanford inventaron el «NeuroString», una sonda delgada e implantable que puede interactuar sin problemas con el cerebro y el tejido intestinal. Describieron la sonda en un artículo de investigación publicado el 2 de junio de 2022 en templar la naturaleza. Tiene aplicaciones potenciales en la depresión, la enfermedad de Parkinson y la enfermedad intestinal.

«La forma predominante en que las personas intentan comprender el cerebro es leer y registrar las señales eléctricas», dice Jinsheng Li, primer autor del artículo de investigación. «Pero las señales químicas juegan un papel importante en la comunicación cerebral y también están directamente relacionadas con la enfermedad». Li comenzó y realizó su trabajo como investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhenan Bao en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Stanford. Ahora es profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad Estatal de Michigan.

NeuroString mide la dopamina y la serotonina, dos transportadores químicos que modulan las señales eléctricas en las células nerviosas. La dopamina es mejor conocida por su papel en el sistema de recompensa del cerebro. La serotonina es un objetivo para los antidepresivos como el Prozac. Ambos también están involucrados en el movimiento, el sueño, el apetito y la digestión.

Existen implantes que miden la dopamina y la serotonina, pero están hechos de varillas sólidas de carbono cubiertas con tubos de vidrio. «Son sensores muy resistentes», dice Lee. «Son muy frágiles». El implante no solo puede romperse, sino que también causa irritación en los tejidos esponjosos del cerebro, lo que puede inflamar las células cerebrales y dañar el implante.

Bao Lab diseñó una sonda blanda. «Mi grupo ha estado fabricando productos electrónicos blandos durante algún tiempo», dice Bao, profesor de K.K. Lee y presidente de Ingeniería Química en la Escuela de Ingeniería de Stanford. La sonda está hecha de grafeno, un tipo de carbono atómicamente delgado. El equipo de Bao usó láseres para grabar lo que Li describe como una «red de grafeno peluda y enredada» en el plástico. El plástico contiene partículas que se transforman en nanopuntos en la superficie del grafeno que pueden mejorar la sensibilidad y selectividad para la medición simultánea de dopamina y serotonina. Luego, los investigadores incrustaron la red en una matriz de goma.

Me explica que «el grafeno en sí no es estirable, pero si se entrecruza como una malla y se fija en caucho, se vuelve estirable».

Bao agrega: «Es como un kirigami. Si recortas patrones y luego los estiras, verás una especie de cuadrícula de papel adherida hueca. Es lo mismo aquí, pero la cuadrícula está hecha de láminas de grafeno». NeuroString tiene la misma suavidad que el tejido biológico. «El sensor es suave y flexible, como una banda elástica, que no hace daño cuando se implanta en el cerebro o el intestino, y no solo es suave, sino que se mueve constantemente», dice Bao.

Para probar la sonda, el equipo de Bao colaboró ​​con científicos de biología, psiquiatría, gastroenterología y cirugía de la Universidad de Stanford. «Creo que esa es la parte más privilegiada de Stanford: es totalmente abierta y colaborativa», me dice Lee.

En un experimento, el equipo implantó NeuroString en el cerebro y los intestinos de los mismos ratones. Cuando alimentaron a los ratones con jarabe de chocolate, NeuroString detectó picos de dopamina en el cerebro y picos de serotonina en el intestino, los cuales predijeron las respuestas al chocolate. La dopamina se produce en el cerebro, mientras que la serotonina se produce principalmente en los intestinos. En otro experimento, NeuroString detectó distintos patrones de serotonina intestinal en ratones con EII en comparación con ratones sanos.

«La primera vez que vimos la señal de la sonda fue un momento inevitable», dice el coautor Xiaoke Chen, profesor asistente de biología. «El registro crónico de la señalización de dopamina y serotonina en animales que se mueven libremente es una experiencia de ensueño que siempre hemos querido hacer. Y con esta hermosa colaboración, pudimos hacerlo realidad».

Los ratones cultivados se comportaron y comieron normalmente y tuvieron movimientos intestinales normales. «Lo emocionante de esta herramienta es que no parece alterar la función normal de los tejidos», dice la coautora Aida Hapticio, M.D., profesora asociada de medicina. Eso significa que el implante algún día podría usarse para monitorear humanos en tiempo real, similar a un reloj inteligente, pero puede rastrear los niveles bioquímicos en lugar de la frecuencia cardíaca o los pasos, dice ella. Habtezion está actualmente de licencia y trabaja como directora médica de Pfizer, pero aportó trabajo mientras estaba en Stanford.

El seguimiento de los niveles de serotonina en el intestino puede ser útil para diagnosticar y controlar enfermedades intestinales como el síndrome del intestino irritable. El seguimiento de los niveles de dopamina en el cerebro puede ser útil en la enfermedad de Parkinson, que es causada por la falta de dopamina. Un tratamiento para la enfermedad de Parkinson, la estimulación cerebral profunda, funciona en parte estimulando las neuronas para que produzcan más dopamina. Si los estímulos cerebrales profundos pueden combinarse con NeuroString, esto permitiría a los médicos controlar con precisión la cantidad de dopamina liberada.

El implante aún no está listo para su uso clínico. Por un lado, la sonda todavía está conectada a los cables que leen las señales; Se necesitará una versión inalámbrica para su uso en personas. Mientras tanto, la sonda tiene muchos usos en la investigación. Por ejemplo, los antidepresivos como el Prozac funcionan modulando los niveles de serotonina, lo que puede explicar por qué a veces causan efectos secundarios gastrointestinales, dice Chen. «Ahora tenemos una herramienta que permite monitorear en tiempo real el efecto de estos medicamentos en las fluctuaciones de serotonina tanto en el cerebro como en el intestino en modelos de ratones».

Y agrega: «Ahora que hemos demostrado que la sonda está funcionando, hay una lista muy larga de preguntas biológicas que queremos abordar».