Nuevo andamio de hidrogel eléctricamente conductor apoya la diferenciación de células neurales

Las interfaces cerebro-computadora (BCI) son un tema candente en estos días, con compañías como Neuralink compitiendo para crear dispositivos que conecten los cerebros humanos con las máquinas. a través de pequeños electrodos implantados. Los beneficios potenciales de las BCI van desde mejorar el monitoreo de la actividad cerebral en pacientes con afecciones neurológicas hasta restaurar la visión en personas ciegas y permitir que los humanos controlen maquinaria usando solo nuestro espíritu. Pero un obstáculo importante para el desarrollo de estos dispositivos son los propios electrodos: tienen que conducir la electricidad, por lo que casi todos están hechos de metal. Los metales no son los materiales más amigables para el cerebro porque son duros, rígidos y no reproducen el entorno físico en el que las células cerebrales normalmente prosperan.

Este problema ahora tiene una solución en un nuevo tipo de andamio de hidrogel eléctricamente conductor desarrollado en el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard y el MIT. El andamio no solo imita las condiciones blandas y porosas del tejido cerebral, sino que apoya el crecimiento y la diferenciación de las células progenitoras neurales (NPC) humanas en varios tipos de células cerebrales diferentes durante un máximo de 12 semanas. El logro se reporta en Materiales sanitarios avanzados.

Este andamio conductor a base de hidrogel tiene un gran potencial. No solo se puede utilizar para estudiar la formación de redes neuronales humanas en vitro, también podría permitir la creación de BCI biohíbridos implantables que se integren de manera más fluida con el tejido cerebral de un paciente, mejorando su rendimiento y disminuyendo el riesgo de lesiones.

Christina Tringides, Ph.D., primera autora, exalumna de posgrado en Wyss y SEAS que ahora es becaria posdoctoral en ETH Zürich

En uno, varios

Tringides y su equipo crearon su primer electrodo a base de hidrogel en 2021, impulsados ​​por el deseo de fabricar electrodos más suaves que pudieran “fluir” para adaptarse a las curvas, rincones y grietas naturales del cerebro. Aunque el equipo demostró que su electrodo era altamente compatible con el tejido cerebral, sabían que la sustancia más compatible con las células vivas eran otras células. Decidieron intentar incrustar células cerebrales vivas en el propio electrodo, lo que potencialmente podría permitir que un electrodo implantado envíe impulsos eléctricos al cerebro de un paciente. a través de contacto célula-célula más natural.

Para hacer que su hidrogel conductor sea un lugar más cómodo para las células, agregaron un paso de liofilización al proceso de fabricación. Los cristales de hielo que se formaron durante la liofilización obligaron al material de hidrogel a concentrarse en los espacios alrededor de los cristales. Cuando los cristales de hielo se evaporaron, dejaron poros rodeados por el hidrogel conductor, formando un andamio poroso. Esta estructura aseguró que las células tuvieran suficiente área de superficie para crecer y que los componentes eléctricamente conductores formaran un camino continuo a través del hidrogel, enviando impulsos a todas las células.

Los investigadores variaron sus recetas de hidrogel para crear andamios que fueran viscoelásticos (como Jell-O) o elásticos (como una banda elástica) y suaves o rígidos. Luego, cultivaron células progenitoras neurales humanas (NPC) en estos andamios para ver qué combinación de propiedades físicas respaldaba mejor el crecimiento y el desarrollo de las células neurales.

Las células cultivadas en geles viscoelásticos y más blandos formaron redes de estructuras en forma de celosía en el andamio y se diferenciaron en varios otros tipos de células después de cinco semanas. Las células cultivadas en geles de bandas elásticas, por otro lado, habían formado grupos que estaban compuestos en gran parte por NPC indiferenciados. El equipo también varió la cantidad de materiales conductores en el material de hidrogel para ver cómo esto afectaba el crecimiento y desarrollo neuronal. Cuanto más conductivo es un andamio, más redes de ramificación forman las células (como lo hacen En Vivo) en lugar de grumos.

Luego, los investigadores analizaron los diferentes tipos de células que habían crecido en sus andamios de hidrogel. Descubrieron que los astrocitos, que sostienen a las neuronas tanto física como metabólicamente, formaban sus largas proyecciones características cuando crecían en geles viscoelásticos en comparación con los geles elásticos, y que había muchos más cuando los geles viscoelásticos contenían más material conductor. Los oligodendrocitos, que crean la vaina de mielina que aísla los axones de las neuronas, también estaban presentes en los andamios. Había más mielina total y segmentos mielinizados más largos en los geles viscoelásticos que en los geles elásticos, y el grosor de la mielina aumentaba cuando había más material conductor presente en los geles.

La pieza de resistencia (eléctrica)

Finalmente, el equipo aplicó estimulación eléctrica a células humanas vivas. a través de materiales conductores en su andamio de hidrogel para ver cómo esto impactó el crecimiento celular. Las células se pulsaron con electricidad durante 15 minutos a la vez, diariamente o cada dos días. Después de ocho días, los andamios que habían sido pulsados ​​diariamente tenían muy pocas células vivas, mientras que los que habían sido pulsados ​​cada dos días estaban llenos de células vivas en todo el andamio.

Después de este período de estimulación, las células se dejaron en los andamios durante un total de 51 días. Las pocas células restantes en los andamios que habían sido estimulados diariamente no se diferenciaron en otros tipos de células, mientras que los andamios de días alternos tenían neuronas altamente diferenciadas y astrocitos con protuberancias largas. La variación de los impulsos eléctricos ensayados no parece tener ningún efecto sobre la cantidad de mielina presente en los geles.

“La diferenciación exitosa de NPC humanos en múltiples tipos de células cerebrales dentro de nuestros andamios es la confirmación de que el hidrogel conductor les proporciona el tipo de entorno adecuado para crecer. in vitro“, dijo el autor principal Dave Mooney, Ph.D., miembro de la facultad del Instituto Wyss. reproducirse en modelos vivos del cerebro. Mooney también es profesor de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en SEAS.

Tringides continúa su trabajo en andamios de hidrogel conductivo, con planes para investigar más a fondo cómo varios tipos de estimulación eléctrica podrían afectar a diferentes tipos de células y desarrollar un enfoque más completo. in vitro modelo. Ella espera que esta tecnología algún día permita la creación de dispositivos que ayuden a restaurar la función en pacientes humanos que sufren problemas neurológicos y fisiológicos.

“Este trabajo representa un gran paso adelante en la creación de un in vitro microambiente con las propiedades físicas, químicas y eléctricas adecuadas para apoyar el crecimiento y la especialización de las células del cerebro humano. Este modelo se puede utilizar para acelerar el proceso de encontrar tratamientos efectivos para enfermedades neurológicas, además de abrir un enfoque completamente nuevo para crear electrodos e interfaces cerebro-máquina más eficientes que se integren perfectamente con el tejido neural. Estamos entusiasmados de ver a dónde conduce esta innovadora fusión de la ciencia de los materiales, la biomecánica y la ingeniería de tejidos en el futuro”, dijo el director fundador del Instituto Wyss, Don Ingber, MD, Ph.D. Ingber también es el Judah Folkman Profesor de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital de Niños de Boston, y el Hansjörg Wyss Profesor de Ingeniería Bioinspirada a los MARES.

Otros autores incluyen a Marjolaine Boulingre de SEAS, Andrew Khalil del Instituto Wyss y el Instituto Whitehead del MIT, Tenzin Lungjangwa del Instituto Whitehead y Rudolf Jaenisch del Instituto Whitehead y el MIT.