La sonda estirable mide las sustancias químicas del cerebro que son fundamentales para el Parkinson, la depresión y las enfermedades intestinales

Los desequilibrios en la química del cerebro están en el corazón de muchas enfermedades neurológicas. Estos mismos químicos cerebrales también juegan un papel en la salud intestinal. Entonces, los científicos de Stanford han inventado «NeuroString», una sonda blanda implantable que puede interactuar sin problemas con el cerebro y el tejido intestinal. Describen la sonda en un artículo publicado el 2 de junio de 2022 en Naturaleza. Tiene aplicaciones potenciales en la depresión, la enfermedad de Parkinson y las enfermedades intestinales.

«La forma convencional en que las personas intentan comprender el cerebro es leer y registrar señales eléctricas», dice Jinxing Li, el primer autor del artículo. «Pero las señales químicas juegan un papel igualmente importante en la comunicación cerebral, y también están directamente relacionadas con las enfermedades». Li comenzó y realizó el trabajo como posdoctorado en el laboratorio de Zhenan Bao en el Departamento de Ingeniería Química de Stanford; ahora es profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad Estatal de Michigan.

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

Ya existen implantes que miden la dopamina y la serotonina, pero están hechos de varillas rígidas de carbono encerradas en tubos de vidrio. «Esas son sondas muy rígidas. Son muy frágiles», dice Li. El implante no solo puede romperse, sino que también roza el tejido blando del cerebro, lo que puede inflamar las células cerebrales y degradar el implante.

El laboratorio de Bao diseñó una sonda blanda. «Mi grupo ha estado fabricando productos electrónicos blandos durante bastante tiempo», dice Bao, profesor de KK Lee y presidente del Departamento de Ingeniería Química de la Escuela de Ingeniería de Stanford. La sonda está hecha de grafeno, una forma de carbono atómicamente delgada. El equipo de Bao usó un láser para grabar lo que Li describe como una «red de grafeno enredada y peluda» en un plástico. El plástico contiene moléculas que se convierten en puntos de nanopartículas 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.

«El grafeno en sí no es muy elástico, pero si se enreda como una malla y se incrusta en una goma, entonces se vuelve elástico», explica Li.

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

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

En un experimento, el equipo implantó NeuroString en el cerebro y el intestino 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, ambas respuestas esperadas al chocolate. La dopamina se produce en el cerebro, mientras que la serotonina se produce principalmente en el intestino. En otro experimento, NeuroString detectó patrones distintivos de serotonina intestinal en ratones con inflamación intestinal en comparación con ratones sanos.

«La primera vez que vimos la señal de la sonda fue un momento eureka», dice el coautor Xiaoke Chen, profesor asociado de biología. «El registro crónico de señales de dopamina y serotonina en animales que se mueven libremente es un experimento de ensueño que siempre quisimos hacer. Y con esta hermosa colaboración, pudimos hacerlo realidad».

Los ratones implantados se comportaron y comieron normalmente y tuvieron movimientos intestinales normales. «Lo emocionante de la herramienta fue que no pareció interrumpir la función normal del tejido», dice la coautora Aida Habtezion, profesora de medicina. Esto significa que el implante algún día podría usarse para el monitoreo en tiempo real en humanos, similar a un reloj inteligente, pero capaz de rastrear los niveles bioquímicos en lugar de la frecuencia cardíaca o los pasos, dice ella. Habtezion se encuentra actualmente de licencia y se desempeña como directora médica de Pfizer, pero contribuyó al trabajo mientras aún estaba en Stanford.

El seguimiento de los niveles de serotonina en el intestino podría ser útil para diagnosticar y controlar enfermedades intestinales como el síndrome del intestino irritable. El seguimiento de los niveles de dopamina en el cerebro podría ser útil en la enfermedad de Parkinson, que es causada por la falta de dopamina. Uno de los tratamientos para la enfermedad de Parkinson, la estimulación cerebral profunda, funciona en parte estimulando las neuronas para que produzcan más dopamina. Si los estimuladores cerebrales profundos pudieran 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 cables que leen las señales; Se necesitaría 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 la herramienta que permite monitorear en tiempo real el impacto de esos medicamentos en la fluctuación de la serotonina tanto en el cerebro como en el intestino en modelos de ratones».

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