Un chip de ultrasonidos transparente mejora la estimulación celular y la obtención de imágenes
Las futuras aplicaciones de la tecnología podrían repercutir en la investigación sobre células madre, cáncer y neurociencia
Los ultrasonidos, más conocidos para controlar los embarazos o tomar imágenes de los órganos, también pueden utilizarse para estimular las células y dirigir su funcionamiento. Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha desarrollado una forma más fácil y eficaz de aprovechar esta tecnología para aplicaciones biomédicas.
Sri-Rajasekhar "Raj" Kothapalli, profesor adjunto de ingeniería biomédica en la Universidad Estatal de Pensilvania, sostiene un chip transductor de ultrasonidos transparente y biocompatible que, conectado a la corriente eléctrica, estimula las células. El nuevo sistema de ultrasonidos tiene implicaciones para la futura investigación sobre el cáncer y las células madre.
Kelby Hochreither/Penn State
El equipo ha creado un chip transductor de ultrasonidos transparente y biocompatible que se asemeja a un portaobjetos de microscopio y puede insertarse en cualquier microscopio óptico para facilitar su visualización. Las células pueden cultivarse y estimularse directamente sobre el chip transductor y los cambios resultantes pueden visualizarse con técnicas de microscopía óptica.
El trabajo, publicado en la revista Lab on a Chip de la Royal Society of Chemistry, fue seleccionado como artículo de portada del número de diciembre de 2021. Las futuras aplicaciones de esta tecnología podrían repercutir en la investigación sobre células madre, cáncer y neurociencia.
"En los experimentos convencionales de estimulación por ultrasonidos, se coloca una placa de cultivo celular en un baño de agua, y un voluminoso transductor de ultrasonidos dirige las ondas de ultrasonidos a las células a través del medio acuoso", dijo Sri-Rajasekhar "Raj" Kothapalli, investigador principal y profesor asistente de ingeniería biomédica en Penn State. "Se trataba de un montaje complejo que no proporcionaba resultados reproducibles: Los resultados que veía un grupo no los veía otro, incluso utilizando los mismos parámetros, porque hay varias cosas que podrían afectar a la supervivencia y estimulación de las células mientras están en el agua, así como la forma de visualizarlas."
Kothapalli y sus colaboradores miniaturizaron el dispositivo de estimulación por ultrasonidos creando una plataforma transductora transparente hecha de un material piezoeléctrico de niobato de litio. Los materiales piezoeléctricos generan energía mecánica cuando se aplica una tensión eléctrica. La superficie biocompatible del chip permite cultivar las células directamente sobre el transductor y utilizarlo para experimentos de estimulación repetidos durante varias semanas.
Cuando se conecta a una fuente de alimentación, el transductor emite ondas de ultrasonido, que pulsan las células y desencadenan la entrada y salida de iones.
Para probar el sistema, Kothapalli y su equipo cultivaron células de cáncer de vejiga en el chip. A continuación, insertaron indicadores de calcio fluorescentes en las células para que los investigadores pudieran ver claramente los cambios dinámicos en la señalización del calcio celular bajo el microscopio durante la estimulación.
"Dado que las células están directamente asentadas sobre la superficie transparente del transductor, podemos confirmar que todas las células son estimuladas por igual al mismo tiempo utilizando un único estímulo de ultrasonidos, a diferencia de los enfoques convencionales", dijo Kothapalli, un co-contratado del Instituto del Cáncer de Penn State. "Y, a diferencia de procesos anteriores, podemos obtener imágenes de alta resolución de muchas células a la vez en un solo campo de visión, porque somos capaces de ver las células desde una distancia cercana".
Mediante el estudio de células de cáncer de vejiga, los investigadores establecieron la prueba de concepto de la nueva configuración del transductor. Sin embargo, según Kothapalli, pueden ampliar estos hallazgos para utilizar la configuración del transductor en posibles aplicaciones futuras, como la diferenciación de células madre, la neuromodulación mecanosensible, la administración de fármacos y la apertura de la barrera hematoencefálica.
"Este sencillo montaje será de gran valor para los investigadores interesados en modular células y tejidos con un ultrasonido", dijo Pak Kin Wong, profesor de ingeniería biomédica, ingeniería mecánica y cirugía en Penn State y coautor del artículo. "Puede utilizarse para explorar nuevas aplicaciones terapéuticas de los ultrasonidos, como la inmunoterapia focalizada por ultrasonidos".
El chip de estimulación por ultrasonidos es de bajo coste, fácil de fabricar, compacto y de tamaño escalable, y desechable y reutilizable, según Haoyang Chen, primer autor del artículo y estudiante de doctorado de Kothapalli en ingeniería biomédica.
"Es fácil cultivar células en el chip utilizando métodos estándar de cultivo celular", dijo Chen. "El montaje proporciona parámetros de estimulación controlables para una variedad de experimentos y puede obtenerse una imagen con todas las técnicas convencionales de microscopía óptica".
Además de Kothapalli, Wong y Chen, otros colaboradores del estudio fueron Peter Butler, profesor de ingeniería biomédica de Penn State y decano asociado de educación y programas profesionales de posgrado; los estudiantes de posgrado de ingeniería biomédica Ninghao Zhu, Mohamed Osman y Shubham Khandare; y los estudiantes de pregrado de ingeniería biomédica Ryan Biskowitz y Jinyun Liu.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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