Un andamio suave y estimulante apoya el desarrollo de células cerebrales ex vivo

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 a las máquinas a través de pequeños electrodos implantados. Los beneficios potenciales de las BCI van desde un mejor control de la actividad cerebral en pacientes con problemas neurológicos hasta restaurar la visión en personas ciegas y permitir que los humanos controlen máquinas usando solo sus mentes.

Pero un obstáculo importante para el desarrollo de estos dispositivos son los propios electrodos: deben conducir la electricidad, por lo que casi todos están hechos de metal. Los metales no son los materiales más amigables para el cerebro, ya que son duros, rígidos y no reproducen el entorno físico en el que las células cerebrales suelen crecer.

Ese 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 apoyó el crecimiento y la diferenciación de las células progenitoras neurales (NPC) humanas en múltiples tipos de células cerebrales diferentes durante hasta 12 semanas. El logro se reporta en Materiales sanitarios avanzados.

«Este andamio conductivo a base de hidrogel tiene un gran potencial. No solo puede usarse para estudiar la formación de redes neuronales humanas in vitro, sino que 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 la disminución del riesgo de lesiones», dijo la primera autora Christina Tringides, Ph.D., exestudiante de posgrado en Wyss y SEAS que ahora es becaria postdoctoral en ETH Zürich.

De uno, muchos

Tringides y su equipo crearon su primera electrodo a base de hidrogel en 2021, impulsado por el deseo de hacer electrodos más suaves que puedan «fluir» para abrazar las curvas, rincones y grietas naturales del cerebro. Si bien el equipo demostró que su electrodo era altamente compatible con el tejido cerebral, sabían que la sustancia más compatible para las células vivas son otras células. Decidieron intentar integrar células cerebrales vivas en el propio electrodo, lo que podría permitir que un electrodo implantado transmitiera impulsos eléctricos al cerebro de un paciente a través de un contacto más natural entre células.

Para hacer que su hidrogel conductor sea un lugar más cómodo para que vivan 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 garantizaba que las células tuvieran una amplia superficie sobre la que crecer y que los componentes eléctricamente conductores formaran un camino continuo a través del hidrogel, enviando impulsos a todas las células.

Los investigadores variaron las recetas de sus hidrogeles 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 que eran viscoelásticos y más suaves formaron redes de estructuras en forma de celosía en el andamio y se diferenciaron en muchos otros tipos de células después de cinco semanas. Las células que se cultivaron en geles elásticos, por el contrario, habían formado grupos que estaban compuestos en gran parte por NPC indiferenciados. El equipo también varió la cantidad de materiales conductores dentro del material de hidrogel para ver cómo eso afectaba el crecimiento y desarrollo neuronal. Cuanto más conductivo era un andamio, más células formaban redes de ramificación (como lo hacen in vivo) en lugar de grupos.

Luego, los investigadores analizaron los diferentes tipos de células que se habían desarrollado dentro de sus andamios de hidrogel. Descubrieron que los astrocitos, que sostienen a las neuronas tanto física como metabólicamente, formaron sus proyecciones largas características cuando se cultivaron en geles viscoelásticos frente a geles elásticos, y había una cantidad significativamente mayor de ellos 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 geles viscoelásticos que en 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 las células humanas vivas a través de los materiales conductores dentro de su andamio de hidrogel para ver cómo eso afectaba el crecimiento celular. Las celdas fueron pulsadas con electricidad durante 15 minutos a la vez, ya sea 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 que quedaron 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 en los impulsos eléctricos probados no pareció tener 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., Core Miembro de la facultad en el Instituto Wyss. «Fue especialmente emocionante ver la mielinización en los axones de las neuronas, ya que ha sido un desafío continuo para replicar en modelos vivos del cerebro». Mooney también es profesor de bioingeniería de la familia Robert P. Pinkas en SEAS.

Tringides continúa trabajando en los 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 modelo in vitro más completo. 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 avance al crear un microambiente in vitro con las propiedades físicas, químicas y eléctricas adecuadas para respaldar el crecimiento y la especialización de las células cerebrales humanas. Este modelo puede usarse para acelerar el proceso de encontrar tratamientos efectivos para las enfermedades neurológicas. enfermedades, además de abrir un enfoque completamente nuevo para crear electrodos e interfaces cerebro-máquina más efectivos que se integren a la perfección con los tejidos neuronales. futuro», dijo el director fundador del Instituto Wyss, Don Ingber, MD, Ph.D.