Un implante biodegradable podría ayudar a los médicos a controlar la química cerebral

Un sensor biodegradable inalámbrico podría ofrecer a los médicos una forma de monitorear los cambios en la química del cerebro sin requerir una segunda operación para retirar el implante, según un equipo internacional de investigadores.

En un procedimiento mínimamente invasivo en ratones, los investigadores insertaron un dispositivo biodegradable inalámbrico en la región profunda del cerebro de un ratón. El dispositivo recopiló datos sobre los niveles de dopamina, un neurotransmisor importante, y otras propiedades del cerebro, como los niveles de pH, la temperatura y la electrofisiología antes de disolverse de nuevo en el cuerpo sin causar daño.

Debido a que la dopamina es crítica en muchas condiciones relacionadas con los nervios, los médicos podrían usar un sensor biodegradable para detectar el neurotransmisor para una variedad de tratamientos y operaciones.

«La medición directa de la dopamina puede ser muy significativa debido al papel que desempeñan los neurotransmisores en muchas enfermedades relacionadas con los nervios», dijo Larry Cheng, profesor de ingeniería de Dorothy Quiggle y asociado del Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos.

«Creo que la gente en el pasado ha estado observando muchos de los otros parámetros en forma de temperatura, fiebre o sudoración, entre otros. Estos parámetros relacionados pueden ser muy útiles cuando no tenemos la medición directa, pero si podemos tener la medición directa de este neurotransmisor en la ubicación objetivo, y en tiempo real, eso puede ser ciertamente más directo e incluso más útil, porque la información a veces puede ser muy difícil de inferir en función de esos otros parámetros».

El implante basado en silicio incluye un semiconductor llamado dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales, o TMDC, que se consideran una clase emergente de materiales que se utilizan cada vez más en aplicaciones de nanoelectrónica y nanofotónica. La capacidad de manipular estos TMDC atómicamente delgados permitió a los científicos diseñar el implante para que fuera biodegradable y, al mismo tiempo, mantuviera el rendimiento eléctrico y electroquímico.

Para que esto sea implantable, todo este equipo debe estar empaquetado en una sonda que mide alrededor de 13 o 14 milímetros de largo, dijo Cheng. En perspectiva, el diámetro de una aspirina normal es de unos 14 milímetros.

«Eso es realmente para todo el dispositivo, pero, si estamos hablando del sensor en sí, es aún más pequeño», dijo Cheng, quien también es miembro del Instituto de Investigación de Materiales.

Luego, el equipo probó el dispositivo insertando la sonda en una sección del cerebro del ratón llamada ganglio basal.

En un entorno clínico, Cheng dijo que los pacientes usarían una diadema u otro tipo de aparato para transmitir las señales del implante al equipo que el personal médico podría usar para monitorear la condición de los pacientes.

Según los investigadores, el principal beneficio de un dispositivo biodegradable es que no requeriría más cirugías, lo que agrega riesgos a la recuperación, para retirar el dispositivo.

«Actualmente, después de la recuperación completa, el dispositivo debe retirarse, o simplemente habrá algo dentro que no necesitamos usar», dijo Cheng. «Es por eso que aquí, el dispositivo está diseñado para ser biodegradable y después de una cierta cantidad de tiempo y después de haber cumplido su función, puede disolverse de manera segura. Por lo tanto, el paciente no necesitará pasar por la segunda operación de cirugía para quitar el dispositivo».

La gran cantidad de productos químicos, materiales y diseños que podrían usarse para fabricar este dispositivo requerían técnicas informáticas avanzadas, según Cheng. Agregó que se usaron computadoras para simular diferentes químicos y esquemas de bioingeniería para encontrar los materiales y diseños ideales para detectar y medir la molécula objetivo, en este caso, la dopamina.

«Tenemos que introducir el material para modelar el material 2D y la dopamina y luego hay que asegurarse de que sean estables», dijo Cheng. «Entonces, tendremos que optimizar la estructura inicial y luego estudiaremos más a fondo la interacción entre el material estabilizado y la dopamina».

En última instancia, el equipo espera que el dispositivo se utilice para ayudar a los pacientes humanos, pero esperan que una necesidad inmediata sea para los médicos que se dedican a estudios con animales.

«Algunas de las posibles opciones de tratamiento pueden estar disponibles primero en estudios con animales donde el implante podría ayudar a los científicos a evaluar inicialmente cómo progresa una enfermedad, cómo se recupera un paciente de un tratamiento y qué tan efectivo es ese tratamiento», dijo Cheng. «Entonces, el implante puede ser muy útil para usar simplemente en un modelo animal para investigar mejor estas preguntas».

El trabajo futuro podría tener como objetivo la creación de un sensor que controle otros aspectos de la química del cerebro, más allá de la detección de dopamina, dijo Cheng.

Los investigadores informaron sobre sus hallazgos en una edición reciente de Materiales avanzados.