Los nuevos estudios de replicación utilizaron una variedad de métodos para investigar si las construcciones funcionan como se describe en investigaciones anteriores. En un estudio, el neurofisiólogo Tansu Celikel de la Universidad de Radboud en los Países Bajos y sus colegas centraron su investigación en la construcción de Magneto utilizada en el estudio de Glers.

Al igual que el grupo de Glers, usaron un virus para entregar ADN que codifica Magneto a las neuronas en la corteza del ratón y esperó dos semanas para que las células expresaran la construcción. Usando microelectrodos implantados permanentemente, registraron la actividad neuronal cortical mientras exponían a los animales a un campo magnético. El estímulo no cambió la tasa de los potenciales de acción en esas neuronas, observaron, y lo mismo ocurrió con los experimentos in vitro. Argumentamos que la utilidad de Magneto para controlar la actividad neuronal in vivo no está garantizada, escriben los autores en la preimpresión.

En el segundo estudio, el neurocientífico Julius Zhu de la Universidad de Virginia y su equipo realizaron un estudio sistemático investigación de las tres construcciones que se habían utilizado en estudios previos: Magneto, el complejo TRPV1-ferritina desarrollado por el grupo Rockefeller y la construcción MAR. (Gler, que también está en Virginia, proporcionó algunos materiales para los experimentos, pero los dos laboratorios no colaboraron).

Estaban ansiosos por comprender cuál es la base de las diferencias entre sus resultados y los nuestros. .

Jeffrey Friedman, Universidad Rockefeller

De manera similar a los hallazgos de Celikels, observaron que los campos magnéticos no inducían una corriente eléctrica en células de hipocampo de ratón que expresaban Magneto en cultivo, cuando la construcción se administraba con un plásmido o un virus. Sin embargo, notaron que tanto las neuronas que expresan Magneto como las células de control que carecían de la construcción mostraban con frecuencia cambios espontáneos en la corriente que a veces provocaban que las células dispararan un potencial de acción. En base a esto, sugieren que es probable que los potenciales de acción activados magnéticamente de Glers representen disparos espontáneos no coincidentes.

El equipo parece haber tenido dificultades para expresar la construcción en las células. Utilizaron un plásmido que codifica la construcción Magneto para expresarlo en células de riñón humano en cultivo y realizaron registros electrofisiológicos de las células. Ni un campo magnético ni la adición de una proteína que estimula TRPV4 provocaron corrientes eléctricas significativas en las células. Curiosamente, observaron una corriente cuando repitieron estos experimentos con células renales que expresaban la versión salvaje e inalterada del gen para TRPV4 expresado por separado con el gen de las ferritinas. Junto con otras observaciones, esto sugirió que Magneto no forma un canal iónico funcional ni se incorpora a la membrana plasmática, sugieren los autores. La construcción carece de una porción de la proteína TRPV4 que se considera necesaria para su colocación en las membranas celulares, señalan los investigadores.

Al probar las otras construcciones, el grupo de Zhus usó virus para expresar MAR en neuronas de cortes de hipocampo de rata cultivados, y la construcción TRPV1-ferritina en neuronas hipotalámicas en cerebros de ratones intactos. Una vez más, los registros electrofisiológicos no detectaron un cambio en los potenciales de acción en ninguna de las células modificadas genéticamente cuando se expusieron a un campo magnético, aunque las células exhibieron frecuentes potenciales de acción espontáneos. Juntos, estos resultados respaldan la conclusión teórica de que Magneto, [MAR] y [la construcción de ferritina-TRPV1] son incapaces de controlar la actividad neuronal mediante la producción de potenciales de acción evocados magnéticamente, escriben en la preimpresión. Los autores principales de ambos estudios se negaron a comentar porque les preocupaba que pudiera interferir con la publicación de su investigación en una revista revisada por pares.

Lo que encuentro más impresionante de estos informes. . . es solo el nivel de cuidado y esfuerzo que se ha invertido en esto, comenta Meister. Ni él ni Anikeeva están sorprendidos por los nuevos hallazgos; ambos han criticado previamente estudios anteriores. A estas alturas, si funcionara como se anuncia, cabría esperar que una pequeña industria de personas hiciera esto y lo usara para todo tipo de propósitos, dice Meister.

Una controversia sin resolver

Tampoco lo han hecho una buena explicación alternativa para las observaciones reportadas en estudios anteriores. Meister sugiere que puede reducirse a un error humano, mientras que Anikeeva especula que unir la ferritina, una proteína relativamente voluminosa, a las proteínas TRPV podría provocar fugas en los canales y reducir el umbral para la activación del potencial de acción.

Gler, quien desarrolló el constructo Magneto, señala varias diferencias entre su estudio y los dos preprints que pueden explicar los resultados contradictorios. Los grupos usaron diferentes virus para introducir las construcciones en las células y, en su mayor parte, no les dieron tanto tiempo para que se expresaran en las neuronas como lo hizo el grupo de Gler, lo que puede ser la razón por la que no lograron una presentación completa en las membranas celulares. Para algunos experimentos, tampoco verificaron que los virus estuvieran realmente expresando las construcciones antes de introducirlas en las células, agrega. Algunos lotes no funcionarán, y tienes que asegurarte sistemáticamente de que tus herramientas estén a la altura, le dice a The Scientist.

Reconocemos que el sistema que hemos desarrollado es un un poco quisquilloso porque requiere mucha optimización para que funcione, agrega. Creo que ahí es donde está el contratiempo: todo el mundo quiere tener algo que funcione de inmediato. Las técnicas magnetogenéticas tardarán algún tiempo en refinarse hasta que sean confiables, dice.

Friedman, el autor principal del estudio Nature, está igualmente desconcertado por qué el equipo de Zhu no pudo replicar sus hallazgos. . Nos tomamos en serio el documento de Zhu y . . .  estamos ansiosos por entender cuál es la base de las diferencias entre sus resultados y los nuestros, dice. El equipo de Zhus expresó la construcción indiscriminadamente en todas las neuronas del hipotálamo en lugar de selectivamente en un subconjunto de células, como hizo Friedman. Algunas neuronas hipotalámicas se excitan más fácilmente que otras, explica. Es posible que al restringir las celdas desde las que estábamos grabando, hayamos obtenido un tipo de celda que. . . parece ser más en lugar de menos receptivo.

Friedman enfatiza que su equipo realizó múltiples experimentos como parte de su estudio para asegurarse de que no estaban atribuyendo erróneamente la actividad neuronal espontánea a un efecto magnético. Por ejemplo, en el mismo estudio de Nature repitieron sus experimentos con una versión alterada del canal TRPV1 que actúa como un canal de cloruro en lugar de un canal de calcio. Mientras que la entrada de calcio excitaría una neurona, el flujo de cloruro la inhibiría, explica Friedman. Obtenemos efectos opuestos cuando usamos la versión inhibitoria de la construcción en lugar de la activadora, dice. No veríamos eso si fuera actividad espontánea.

Tanto Gler como Friedman señalan que hay tres estudios adicionales que informan haber utilizado con éxito técnicas genéticas similares para excitar neuronas bajo campos magnéticos. En 2017, un equipo de investigadores diseñó una construcción hecha de los genes de la ferritina y los canales sensibles al calor, ya sea TRPV1 o TRPV4, en células de la cresta neural de embriones de pollo, afirmando haber estimulado las neuronas con campos electromagnéticos. En 2018, otro grupo combinó la construcción TRPV1-ferritina con una proteína involucrada en la migración celular y mostró que las células renales humanas que expresaban los genes introducidos tenían un patrón de migración inusual cuando estaban bajo un campo magnético. Y a principios de este año, un tercer grupo de investigadores reprodujo los hallazgos de Gler al expresar una construcción de ferritina TRPV4 en una línea celular de riñón humano para comprender mejor su función, y también observó una respuesta a la estimulación magnética.

istock.com, marcin klapzcynski

Mecanismo misterioso

No está muy claro cómo podrían funcionar estas construcciones. Una posibilidad es que los campos magnéticos hagan que los átomos de hierro en la ferritina cambien periódicamente, generando calor que hace que se abra el canal TRPV1 sensible a la temperatura. Otra opción es que la ferritina estimulada abra el poro central de los canales de la membrana. El grupo que pudo replicar los resultados de Glers en células renales sugirió que la sensibilidad magnética del canal TRPV4 tiene más que ver con la energía térmica que con la fuerza mecánica.

Meister ha argumentado que estos mecanismos propuestos entran en conflicto con leyes de la física, sobre la base de que la ferritina no tiene las características necesarias para provocar un estímulo mecánico bajo un campo magnético. En varios cálculos detallados en su artículo eLife de 2016, Meister muestra que las interacciones magnéticas entre la ferritina y un campo magnético serían entre cinco y diez órdenes de magnitud demasiado débiles para generar el efecto mecánico. fuerza para hacer que se abra un canal de membrana.

El núcleo de la ferritina no consiste en una sustancia verdaderamente magnética, sino en ferrihidrita, que es solo débilmente paramagnética a temperatura ambiente. Esto significa que la molécula requiere un campo magnético más potente para inducir un momento magnético, es decir, para alinear todos los átomos de hierro con el campo magnético que los utilizados en estudios anteriores. Incluso si la ferritina de hierro fuera verdaderamente magnética, las fuerzas seguirían siendo demasiado pequeñas para explicar los mecanismos propuestos, señala Anikeeva, quien presentó argumentos similares en un artículo separado de eLife.

Esos argumentos biofísicos podrían superarse si el físico Mladen Barbic del campus de investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes tiene razón. A principios de este año, en eLife , propuso varios mecanismos alternativos nuevos mediante los cuales la estimulación magnética de la ferritina podría abrir un canal iónico. Uno, por ejemplo, se basa en el efecto de Einstein-de-Haas, por el cual las partículas de óxido de hierro rotarían bajo un campo magnético, produciendo energía que tal vez podría causar la apertura del canal de iones. Otros grupos están explorando la posibilidad de un mecanismo químico a través de la liberación de hierro libre, dice Friedman. Creo que todo esto está sobre la mesa, dice.

No es el fin de la magnetogenética

El atractivo de un método no invasivo para controlar la actividad neuronal ha mantenido a los académicos en la búsqueda de un método confiable de magnetogenética, incluidos aquellos que no se basan en ferritina. Por ejemplo, el grupo de Anikeevas ha demostrado que es posible abrir TRPV1 y estimular la actividad neuronal con nanopartículas sintéticas hechas de magnetita de óxido de hierro. Se sabe que las partículas disipan el calor y eso abre los canales, explica. Sin embargo, estas partículas no pueden expresarse genéticamente porque son sintéticas. Más bien, deben inyectarse en el cerebro.

Otra ruta es observar organismos en la naturaleza que ya han desarrollado sistemas que responden a campos magnéticos. Las bacterias magnetotácticas, por ejemplo, producen partículas similares a las que Annikeeva sintetizó en su laboratorio, escribe. Los científicos también podrían examinar los mecanismos que utilizan los organismos migratorios, como las palomas, las mariposas y los peces, para detectar los campos magnéticos y navegar, sugiere.

¿Qué puede ayudar a acelerar estos esfuerzos y ayudar a desenredar las controversias en torno a la magnetogenética? , es una mejor comunicación entre la física y la neurociencia, señala Anikeeva. Debería haber más interacción entre las ciencias físicas y biológicas, especialmente en el contexto de la formación de biólogos e ingenieros en las disciplinas y vocabularios de cada uno.

Katarina Zimmer  es una periodista independiente que vive en Nueva York. Encuéntrala en Twitter @katarinazimmer.