Dispositivo novedoso registra, detecta y manipula ‘mini-cerebros’
Interfaces neuronales multifuncionales tridimensionales para esferoides corticales y ensambles de ingeniería. Crédito: Universidad de Northwestern
Un equipo de científicos, dirigido por investigadores de la Universidad de Northwestern, Shirley Ryan AbilityLab y la Universidad de Illinois en Chicago (UIC), ha desarrollado una tecnología novedosa que promete aumentar la comprensión de cómo se desarrollan los cerebros y ofrecer respuestas sobre reparar cerebros a raíz de neurotrauma y enfermedades neurodegenerativas.
Su investigación es la primera en combinar los sistemas bioelectrónicos 3D más sofisticados con cultivos neuronales humanos 3D altamente avanzados. El objetivo es permitir estudios precisos de cómo se desarrollan y reparan in vitro los circuitos del cerebro humano. El estudio es el artículo de portada de la edición del 19 de marzo de Science Advances.
Los esferoides corticales utilizados en el estudio, similares a «mini-cerebros», se derivaron de células madre pluripotentes inducidas por humanos. Aprovechando un sistema de interfaz neuronal 3D que desarrolló el equipo, los científicos pudieron crear un «minilaboratorio en un plato» diseñado específicamente para estudiar los minicerebros y recopilar diferentes tipos de datos simultáneamente. Los científicos incorporaron electrodos para registrar la actividad eléctrica. Agregaron pequeños elementos de calentamiento para mantener calientes los cultivos cerebrales o, en algunos casos, sobrecalentaron intencionalmente los cultivos para estresarlos. También incorporaron sondas diminutas como sensores de oxígeno y pequeñas luces LED para realizar experimentos optogenéticos. Por ejemplo, introdujeron genes en las células que les permitieron controlar la actividad neuronal mediante pulsos de luz de diferentes colores.
Esta plataforma permitió a los científicos realizar estudios complejos de tejido humano sin involucrar directamente a los humanos ni realizar operaciones invasivas. pruebas. En teoría, cualquier persona podría donar una cantidad limitada de sus células (p. ej., muestra de sangre, biopsia de piel). Luego, los científicos pueden reprogramar estas células para producir un diminuto esferoide cerebral que comparte la identidad genética de la persona. Los autores creen que, al combinar esta tecnología con un enfoque de medicina personalizada utilizando cultivos cerebrales derivados de células madre humanas, podrán obtener información más rápidamente y generar mejores intervenciones novedosas.
«Los avances impulsados por esta investigación ofrecerá una nueva frontera en la forma en que estudiamos y entendemos el cerebro», dijo el Dr. Colin Franz de Shirley Ryan AbilityLab, coautor principal del artículo que dirigió las pruebas de los esferoides corticales. «Ahora que la plataforma 3D se ha desarrollado y validado, podremos realizar estudios más específicos en nuestros pacientes que se recuperan de una lesión neurológica o que luchan contra una enfermedad neurodegenerativa».
Yoonseok Park, becario postdoctoral en la Universidad Northwestern y coautor principal, agregó: «Este es solo el comienzo de una clase completamente nueva de sistemas bioelectrónicos 3D miniaturizados que podemos construir para expandir la capacidad del campo de la medicina regenerativa. Por ejemplo, nuestra próxima generación de dispositivos admitirá la formación de circuitos neuronales aún más complejos desde el cerebro hasta el músculo, y tejidos cada vez más dinámicos como un corazón que late».
Los conjuntos de electrodos actuales para cultivos de tejidos son 2D, planos e incapaces de igualar los diseños estructurales complejos que se encuentran en toda la naturaleza , como los que se encuentran en el cerebro humano. Además, incluso cuando un sistema es 3D, es extremadamente desafiante incorporar más de un tipo de material en una pequeña estructura 3D. Sin embargo, con este avance, toda una clase de dispositivos bioelectrónicos 3D se ha diseñado para el campo de la medicina regenerativa.
«Ahora, con nuestra pequeña y suave electrónica 3D, la capacidad de construir dispositivos que imitan el complejo Las formas biológicas que se encuentran en el cuerpo humano finalmente son posibles, proporcionando una comprensión mucho más holística de una cultura», dijo John Rogers de Northwestern, quien dirigió el desarrollo de tecnología utilizando tecnología similar a la que se encuentra en teléfonos y computadoras. «Ya no tenemos que comprometer la función para lograr la forma óptima de interactuar con nuestra biología».
Como siguiente paso, los científicos utilizarán los dispositivos para comprender mejor las enfermedades neurológicas, probar fármacos y terapias que tengan resultados clínicos. y comparar diferentes modelos de células derivadas de pacientes. Esta comprensión permitirá una mejor comprensión de las diferencias individuales que pueden explicar la amplia variación de los resultados observados en la rehabilitación neurológica.
«Como científicos, nuestro objetivo es hacer que la investigación de laboratorio sea lo más clínicamente relevante posible». dijo Kristen Cotton, asistente de investigación en el laboratorio del Dr. Franz. “Esta plataforma 3D abre la puerta a nuevos experimentos, descubrimientos y avances científicos en medicina de neurorehabilitación regenerativa que nunca han sido posibles”.
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Echar un vistazo al interior de los ‘mini-cerebros’ podría mejorar la comprensión del cerebro humano Más información: Yoonseok Park et al, Three-dimensional, multifuncional neural interfaces for cortical sferoids and Engineered assembloids, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abf9153 Información de la revista: Science Advances
Proporcionado por la Universidad Northwestern Cita: Nuevo dispositivo registra, detecta y manipula ‘mini-cerebros’ (2021 , 19 de marzo) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-03-device-mini-brains.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.