Investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de California en San Diego y sus colaboradores han desarrollado una técnica que les permite acelerar o ralentizar el crecimiento de las células del corazón humano en un plato a voluntad, simplemente iluminando con una luz y variando su intensidadLas células se cultivan en un material llamado grafeno, que convierte la luz en electricidad, proporcionando un entorno más realista que los platos de laboratorio de plástico o vidrio estándar.
El método, descrito en la edición del 18 de mayo de avances científicos , podría usarse para una serie de aplicaciones clínicas y de investigación, que incluyen: probar medicamentos terapéuticos en sistemas más relevantes desde el punto de vista biológico, desarrollar medicamentos de uso específico que sean más precisos y tengan menos efectos sistémicos, y crear mejores dispositivos médicos, como la luzmarcapasos controlados.
"Cuando empezamos a trabajar con esto en nuestro laboratorio, de repente teníamos algo así como 20 personas reunidas alrededor, gritando cosas como '¡Imposible!' Y acusándome de hacerles una broma. Nunca habíamos visto algo así antes", dijo primero.autor Alex Savchenko, PhD, un científico investigador en el Departamento de Pediatría de la Facultad de Medicina de UC San Diego y el Consorcio de Sanford para Medicina Regenerativa. Savchenko dirigió el estudio con Elena Molokanova, PhD, CEO de Nanotools Bioscience.
Aunque de alguna manera es simplemente una versión más delgada del grafito "mina de lápiz", las propiedades únicas del grafeno solo se apreciaron realmente hace relativamente poco tiempo, un esfuerzo reconocido con el Premio Nobel de Física 2010, otorgado a Andre Geim, PhD, y Kostantin Novoselov, PhD, ambos físicos de la Universidad de Manchester en el Reino Unido. El grafeno es un semimetal formado por una red de átomos de carbono, el mismo elemento que forma la base de todos los organismos vivos. Parte de lo que hace que el grafeno sea especial es sucapacidad de convertir la luz en electricidad de manera eficiente. Por el contrario, el vidrio y el plástico son aislantes, no conducen la electricidad. La mayor parte de la investigación biomédica se basa en células individuales o cultivos celulares cultivados en placas de Petri de plástico o en placas de vidrio.
"Sin embargo, en tu cuerpo, no ves muchas superficies que actúen como plástico o vidrio", dijo Savchenko. "En cambio, somos conductores. Nuestros corazones son extremadamente buenos para conducir electricidad. En el cerebro, es la conductividad eléctrica lo queme permite pensar y hablar al mismo tiempo ".
Savchenko, Molokanova y otros investigadores han notado que las células en el laboratorio crecen mejor con grafeno que otros materiales y se comportan más como las células en el cuerpo. Savchenko y Molokanova dan crédito a sus antecedentes en física por ayudarlos a observar un poco los sistemas biológicosdiferente a la mayoría.
En este estudio, los investigadores generaron células cardíacas a partir de células cutáneas donadas, a través de un tipo de célula intermediaria llamada célula madre pluripotente inducida iPSC. Luego, cultivaron estas células cardíacas derivadas de iPSC en una superficie de grafeno.
Savchenko dijo que el equipo tardó un tiempo en determinar la fórmula óptima basada en grafeno. Luego, tuvieron que encontrar la mejor fuente de luz y la mejor forma de llevar esa luz al sistema de células de grafeno. Pero finalmente encontraron una manera de controlar con precisióncuánta electricidad generó el grafeno al variar la intensidad de la luz a la que lo expusieron.
"Nos sorprendió el grado de flexibilidad, que el grafeno te permite marcar el ritmo de las células literalmente a voluntad", dijo Savchenko. "¿Quieres que laten el doble de rápido? No hay problema, simplemente aumenta la intensidad de la luz. Tres veces".¿Más rápido? No hay problema: aumente la densidad de luz o grafeno ".
Savchenko y sus colegas descubrieron que también podían controlar la actividad cardíaca en un organismo vivo embriones de pez cebra utilizando grafeno ligero y disperso.
El equipo también se sorprendió por la ausencia de toxicidad, que a menudo presenta a los investigadores un gran desafío. "Normalmente, si introduce un nuevo material en biología, esperaría ver una cierta cantidad de células muertas en el proceso,", Dijo Savchenko." Pero no vimos nada de eso. Nos da la esperanza de poder evitar problemas dañinos más adelante, mientras probamos varias aplicaciones médicas ".
Los investigadores están entusiasmados con las múltiples aplicaciones posibles de este nuevo sistema de grafeno / luz. Un uso potencial es en la detección de drogas. Actualmente, los investigadores usan tecnología robótica para probar cientos de miles de compuestos químicos, examinándolos por su capacidad para cambiar uncomportamiento de las células. Aquellos compuestos que tienen el efecto deseado se estudian más a fondo por su potencial como un nuevo fármaco terapéutico. Sin embargo, muchos compuestos beneficiosos pueden pasarse por alto porque sus efectos no son evidentes en la condición en la que se cultivan las células de ensayoen plástico, fuera del contexto de la enfermedad.
Por ejemplo, los investigadores pueden probar medicamentos en células cardíacas cultivadas en una placa de laboratorio de plástico estándar. Pero esas células se están contrayendo a su propio ritmo, sin modelar las condiciones que podrían existir justo antes de que una persona sufra un ataque cardíaco. Los medicamentos que pruebanen esas células puede parecer que no hacen nada si dependen del uso, lo que significa que los medicamentos solo tienen un efecto bajo ciertas condiciones.
Para probar esta aplicación, el equipo agregó mexiletina, un medicamento que se usa para tratar los latidos cardíacos irregulares arritmias, a las células del corazón. La mexiletina es conocida por ser dependiente del uso; solo tiene efecto cuando hay un aumento en la frecuencia cardíaca.frecuencia, como ocurre durante una arritmia. Los investigadores iluminaron sus células cardíacas en grafeno con luz de diferentes intensidades. Cuanto más rápido latieran las células cardíacas, mejor las inhibió la mexiletina.
Por ahora, el equipo se centra en las células cardíacas y las neuronas. Pero están interesados en aplicar eventualmente su sistema de grafeno / luz para buscar fármacos que maten específicamente las células cancerosas, dejando en paz a las células sanas. Los investigadores también prevén el uso de grafeno paraencontrar alternativas a los opioides: analgésicos dependientes del uso que solo funcionan cuando y donde una persona tiene dolor, reduciendo así los efectos sistémicos que pueden conducir al uso indebido y la adicción. Finalmente, Savchenko cree que los marcapasos controlados por luz hechos de grafeno podrían ser más seguros y máseficaz que los modelos actuales.
Hay mucho trabajo por hacer, pero Savchenko es optimista. "Puede exprimir medio año de experimentos con animales en un día de experimentos con este sistema basado en grafeno", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Heather Buschman, Ph.D .. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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