Los científicos e ingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore LLNL han desarrollado un dispositivo "cerebro en chip" destinado a probar y predecir los efectos de agentes biológicos y químicos, enfermedades o fármacos en el cerebro a lo largo del tiempo sin la necesidadpara sujetos humanos o animales.
El dispositivo, parte del proyecto iCHIP plataforma de investigación humana basada en chips in-vitro del laboratorio, simula el sistema nervioso central al registrar la actividad neuronal de múltiples tipos de células cerebrales depositadas y cultivadas en matrices de microelectrodos. La plataforma, descrita en eldiario PLOS uno podría ayudar a los científicos a comprender cómo se conectan e interactúan las células cerebrales, combatir los trastornos cerebrales, determinar cómo los soldados se ven afectados por la exposición a armas químicas y biológicas y desarrollar antídotos para contrarrestar esos efectos.
"Si bien no estamos cerca del punto en el que podemos recapitular completamente un cerebro fuera del cuerpo, este es un paso importante en términos de aumentar la complejidad de estos dispositivos y moverse en la dirección correcta", dijo el coautor principaly el ingeniero de investigación de LLNL Dave Soscia. "La idea es que eventualmente la comunidad llegue a un punto en el que las personas tengan la confianza suficiente en los dispositivos de que los efectos que ven al colocar productos químicos o farmacéuticos en el entorno de la plataforma son similares a los resultados que veríamosen el cuerpo humano "
Para recrear las regiones del cerebro, los investigadores dividieron el chip en cuatro áreas distintas: tres subregiones y una región externa que representa la corteza cerebral. Los investigadores depositaron células primarias del hipocampo y corticales en los electrodos, posicionados en función de su orientación relativaen el cerebro, utilizando insertos personalizados que se pueden quitar después de colocar las células en el dispositivo para permitir la comunicación libre entre las diferentes regiones. Luego, el equipo monitoreó los patrones de potencial de acción de las células: las "explosiones" de energía eléctrica quelas células emiten cuando se comunican, y observaron cómo interactúan las células a lo largo del tiempo. Los investigadores también realizaron con éxito pruebas con un inserto de cuatro células, para demostrar que se podían usar más tipos de células simultáneamente.
Los científicos dijeron que la plataforma es parte de la visión más amplia de LLNL para contrarrestar las amenazas emergentes y existentes, les permite estudiar las redes formadas entre varias regiones del cerebro y obtener datos oportunos y relevantes para humanos sin pruebas en animales o humanos.usarse para predecir mejor la respuesta humana a contramedidas, virus o medicamentos farmacéuticos, y podría ayudar a los científicos a determinar si ciertos tipos de neuronas son más susceptibles a la exposición.
"Esto nos permite encontrar una plataforma que podemos usar para evaluar cómo los agentes químicos afectarían el cerebro", dijo la investigadora principal de iCHIP, Elizabeth Wheeler. "Obviamente a una dosis alta, sabemos que la exposición va a ser perjudicial,pero piense en el guerrero que está expuesto a un bajo nivel de químicos durante mucho tiempo. Usando este dispositivo en el futuro, podríamos ser capaces de predecir cómo se verá afectado ese cerebro. Si entendemos cómo se ve afectado, entoncespuede desarrollar una contramedida para proteger al guerrero ".
Los investigadores dijeron que la tecnología también les permite ver cómo las células se comunican de manera diferente cuando se combinan o se ubican cerca de diferentes tipos de células. Depositar las células con el inserto tipo embudo microfabricado permite que el inserto se use con cualquiertipo de plataforma de chip o tipo de célula, ya que no requiere un patrón de la superficie del chip con diferentes productos químicos para adherir las células. El sistema, dijo Soscia, también permite a los investigadores pasar fácilmente del "mundo macro al mundo micro"."depositar múltiples tipos de células en áreas más pequeñas que antes"
"Era muy importante para nosotros que no tuviéramos barreras físicas, por lo que las células podían desarrollar procesos para interactuar y comunicarse", dijo Soscia. "Aquí, literalmente, simplemente inserta un inserto, pipetea las células a través de la parte superior deel inserto, y los deposita con precisión en regiones específicas en la matriz de electrodos. Y como es extraíble, las células se adhieren pero no tienen nada que las detenga; se les permite crecer libremente y comunicarse con las otras regiones ".
Para este estudio de prueba de concepto, los científicos analizaron la actividad eléctrica de las células de roedores durante un máximo de 30 días, informando que las células mostraron características y cambios que imitaban las respuestas fisiológicas descritas en la literatura. Según sus experimentos, predicen que las células cerebrales podríanpermanecen viables y registrables en un chip durante períodos mucho más largos, hasta varios meses. Al comparar las neuronas hipocampales y corticales en monocultivo con otras células del mismo tipo y en cocultivo ambos tipos de células depositados dentro de unodispositivo, la investigación mostró que algunas características de las células del hipocampo, como el porcentaje de picos de potencial de acción que se encuentran en las explosiones, fueron significativamente mayores cuando se cultivaron junto con las células corticales.
"Descubrimos que una neurona del hipocampo todavía se parece a una neurona del hipocampo, incluso si había neuronas corticales presentes, pero modificaron algunas de sus características en función de tener un tipo diferente de vecino", dijo el biólogo de LLNL Kris Kulp.sus características de identificación, pero se comunicaron un poco diferente "
Con la plataforma de cerebro en chip, Kulp dijo que los investigadores podrían analizar cómo se propaga la enfermedad a través del cerebro, modelar la epilepsia o potencialmente examinar los efectos de la exposición química o biológica durante un período de tiempo de varios meses.
"Podrías imitar a alguien recibiendo una breve exposición en un campo de batalla y luego observar las neuronas durante seis meses y ver qué sucede", dijo Kulp. "Tal vez se recuperen de esa exposición inicial, pero dentro de seis meses todavía tienen algo detipo de detrimento. Este es el único tipo de sistema que permitiría ese tipo de experimentación en células humanas ".
La investigación continúa como parte de una Iniciativa Estratégica centrada en el cerebro, con el biólogo de LLNL Nick Fischer como investigador principal. La iniciativa incorpora plataformas basadas en chips de barrera cerebral y hematoencefálica para la investigación científica aplicada. El siguiente paso, investigadoresdicho, es expandir el dispositivo cerebro en un chip a tres dimensiones y clasificar los datos recopilados hasta el momento para determinar cómo se correlaciona con los datos in vivo.
"Ahora que hemos demostrado que el dispositivo funciona e imita ciertas características del cerebro, necesitamos trabajar más de cerca con los informáticos, los estadísticos y los modeladores de datos para analizar completamente los datos", dijo Wheeler. "Es emocionante ver que esto se vayadesde una simple idea hasta una plataforma que genera datos y ahora usa esos datos para informar modelos biológicos predictivos "
Otros científicos e ingenieros de LLNL que contribuyen al proyecto incluyen Fischer, la coautora Anna Belle, Heather Enright, Ana Paula De Oliveira Sales, Joanne Osburn y Eric Mukerjee, así como los ex empleados de LLNL William Benett y Sat Pannu.
La investigación fue financiada por un programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio LDRD.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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