Desde hace más de quince años, el grupo del catedrático de la ETH Andreas Hierlemann desarrolla chips de microelectrodos que permiten estimular eléctricamente con precisión células nerviosas en cultivos celulares y medir su actividad. Los avances permiten cultivar células nerviosas en placas de cultivo celular y analizar con precisión cada célula individual de un tejido neuronal coherente con el chip situado en el fondo de la placa de cultivo.
En cambio, los métodos de medición alternativos tienen importantes limitaciones: O bien llevan mucho tiempo, porque hay que establecer contacto con cada célula individualmente, o bien hay que utilizar colorantes fluorescentes, que influyen en el comportamiento de las células y, por tanto, en los experimentos.
Los investigadores del grupo de Hierlemann, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas de la ETH de Zúrich (Basilea), junto con Urs Frey, de la empresa derivada de la ETH Maxwell Biosystems, y sus colegas, han desarrollado ahora una nueva generación de chips de microelectrodos que permiten realizar registros sensibles a partir de un número de electrodos significativamente mayor que antes, así como nuevas aplicaciones.
Al igual que las generaciones anteriores, los nuevos chips tienen unos 20.000 microelectrodos en una superficie de 2 por 4 milímetros. Para reconocer incluso los impulsos nerviosos relativamente débiles, la señal de estos electrodos debe amplificarse. Los científicos tienen que lidiar con señales débiles en células nerviosas, por ejemplo, que han obtenido a partir de ciertas células madre, conocidas como células iPS. Éstas se utilizan ahora en muchos modelos de enfermedades en cultivos celulares. Las señales también tienen que amplificarse considerablemente si los investigadores quieren seguir los impulsos nerviosos en un axón (una fina extensión en forma de fibra de las células nerviosas).
La electrónica de amplificación necesita espacio. Por eso el chip anterior sólo podía amplificar y leer simultáneamente las señales de 1.000 de los 20.000 electrodos. Aunque los electrodos correspondientes podían seleccionarse libremente, había que definirlos antes de realizar una medición. Por tanto, antes sólo era posible realizar mediciones sensibles en una zona parcial del chip.
En el nuevo chip, unos amplificadores más pequeños permiten amplificar y leer simultáneamente las señales de los 20.000 electrodos. Sin embargo, los amplificadores más pequeños tienen un mayor ruido de fondo. Por eso, para captar incluso los impulsos nerviosos más débiles, los investigadores han incorporado a los nuevos chips algunos de los amplificadores anteriores, más grandes y potentes, y utilizan un truco: emplean los amplificadores potentes para encontrar los momentos en los que se producen los impulsos nerviosos en la placa de cultivo celular. A continuación, se pueden buscar señales en los otros electrodos en estos puntos temporales y, al promediar varias de estas señales consecutivas, se puede reducir el ruido de fondo. El resultado es una imagen clara de la actividad de señalización en todo el intervalo de medición.
En un estudio inicial, que los investigadores publicaron en la revista Nature Communications, demostraron el método no sólo en células iPS humanas, sino también en cortes de cerebro, retinas oculares, células cardiacas y esferoides neuronales.
Fuente: ETH Zurich, Fabio Bergamin
Bibliografía
Yuan X, Schröter M, Obien MEJ, Fiscella M, Gong W, Kikuchi T, Odawara A, Noji S, Suzuki I, Takahashi J, Hierlemann A, Frey U: Versatile live-cell activity analysis platform for characterisation of neuronal dynamics at single-cell and network level, Nature Communications, 25 de septiembre de 2020, doi: 10.1038/s41467-020-18620-4
