El dispositivo miniaturizado activa con luz los medicamentos en una pequeña región profunda del cerebro.
Las hormonas y los nutrientes se unen a los receptores en la superficie celular mediante un mecanismo de «cerradura y llave» que desencadena eventos intracelulares vinculados a ese receptor específico. Los fármacos que imitan las moléculas naturales se utilizan ampliamente para controlar estos mecanismos de señalización intracelular para terapias y en investigaciones.
En una publicación reciente, un equipo dirigido por la profesora asociada del MIT Polina Anikeeva, una investigadora asociada del McGovern Institute for Brain Research y el profesor asistente de investigación de la Oregon Health and Science University (OHSU) James Frank presentan una tecnología de microfibras para administrar y activar fármacos que pueden ser inducidos a unirse a su receptor mediante la exposición a la luz.
«Una barrera importante en la aplicación de fármacos controlados por luz para modular los circuitos neuronales en animales vivos es la falta de hardware que permita la administración simultánea de luz y fármacos al área del cerebro objetivo», dice Frank, quien anteriormente fue postdoctorado en el grupo de Bioelectrónica de Anikeeva. dentro del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. “Nuestro trabajo ofrece un enfoque integrado para la entrega bajo demanda de luz y medicamentos a través de una sola fibra”.
Estos dispositivos se utilizaron para administrar un medicamento «fotoconmutable» en lo profundo del cerebro. Los llamados «interruptores fotográficos» son moléculas sensibles a la luz que se pueden unir a los medicamentos para activar o desactivar su actividad con un destello de luz; el uso de estos medicamentos se denomina fotofarmacología. En el nuevo estudio, la fotofarmacología se utiliza para controlar la actividad neuronal y el comportamiento en ratones.
Creación de dispositivos miniaturizados a partir de plantillas de macroescala
Para utilizar la luz con el fin de controlar la actividad de los fármacos, la luz y los fármacos deben administrarse simultáneamente a las células objetivo. Este es un desafío importante cuando el objetivo está en lo profundo del cuerpo, pero el grupo de Bioelectrónica de Anikeeva está equipado de manera única para enfrentar este desafío. Marc-Joseph «MJ» Antonini, estudiante de doctorado en el laboratorio de Bioelectrónica de Anikeeva y co-primer autor del estudio, se especializa en la fabricación de fibras multifuncionales biocompatibles que albergan canales de microfluidos y guías de ondas para entregar líquidos y transmitir luz.
Las fibras multifuncionales utilizadas en este estudio contienen un canal fluídico y una guía de ondas óptica y están compuestas por muchas capas de diferentes materiales que se fusionan para proporcionar flexibilidad y resistencia. La forma original de la fibra se construye a macroescala y luego se calienta y se estira (un proceso llamado estirado térmico) para alargarse, pero su diámetro es casi 70 veces más pequeño. Mediante este método, se pueden crear cientos de metros de fibra miniaturizada a partir de la plantilla original a una escala de sección transversal de micrómetros que minimiza el daño tisular.
El dispositivo utilizado en este estudio tenía un haz de fibras implantables de 480 micrómetros (µm) por 380 µm y pesaba solo 0,8 gramos, lo suficientemente pequeño como para que un ratón pueda llevarlo fácilmente sobre su cabeza durante muchas semanas
Síntesis de una nueva droga fotoconmutable
Para demostrar la eficacia del dispositivo para la administración simultánea de líquidos y luz, el laboratorio de Anikeeva se asoció con Dirk Trauner (ex asesor de doctorado de Frank) y David Konrad, farmacólogos que sintetizaron fármacos fotoconmutables.
Anteriormente habían modificado un análogo fotoconmutable de la capsaicina, una molécula que se encuentra en los pimientos picantes que se une al receptor TRPV1 en las neuronas sensoriales y controla la sensación de calor. Esta modificación permitió que el análogo de capsaicina fuera activado por luz de longitud de onda de 560 nanómetros (verde visible) que no daña los tejidos en comparación con la versión original del fármaco que requería luz ultravioleta. Al agregar tanto el receptor TRPV1 como el nuevo análogo de capsaicina fotoconmutable a las neuronas, podrían activarse artificialmente con luz verde.
Frank, Konrad y sus colegas habían demostrado que este nuevo sistema de fotofarmacología funciona en células cultivadas en un plato de laboratorio, pero nunca se había demostrado que funcionara en animales que se movían libremente.
Controlar el comportamiento por fotofarmacología
Para probar si el sistema podía activar neuronas en el cerebro, Frank y Antonini lo probaron en ratones. Se preguntaron si la adición del fármaco fotoconmutable y su receptor a las neuronas que median la recompensa en el cerebro del ratón hace que los ratones prefieran una cámara en la que reciban estimulación luminosa.
La fibra multifuncional miniaturizada desarrollada por el equipo se implantó en el área tegmental ventral del cerebro del ratón, una región profunda rica en neuronas de dopamina que controla el comportamiento de búsqueda de recompensas. A través del canal fluídico del dispositivo, los investigadores administraron un virus que impulsa la expresión del receptor TRPV1 en las neuronas en estudio. Varias semanas más tarde, el dispositivo se utilizó para administrar luz y el análogo de capsaicina fotoconmutable directamente a las mismas neuronas. Para controlar la especificidad de su sistema, también probaron los efectos de administrar un virus que no expresa el receptor TRPV1 y los efectos de administrar una longitud de onda de luz que no enciende el fármaco.
Descubrieron que los ratones mostraban preferencia solo por la cámara donde habían recibido previamente los tres componentes necesarios para que funcione la fotofarmacología: el virus que expresa el receptor, el receptor fotoconmutable y la luz verde que activa el fármaco. Estos resultados demuestran la eficacia de este sistema para controlar el momento y el lugar dentro del cuerpo en que un fármaco está activo.
“El uso de estas fibras para habilitar la fotofarmacología «in vivo» es un gran ejemplo de cómo se puede aprovechar nuestra plataforma multifuncional para mejorar y ampliar la forma en que podemos interactuar con el cerebro”, dice Antonini. “Esta combinación de tecnologías nos permite lograr la resolución temporal y espacial de la estimulación lumínica con la especificidad química de la inyección de fármacos en animales que se mueven libremente”.
Los medicamentos terapéuticos que se toman por vía oral o por inyección a menudo causan efectos secundarios no deseados porque actúan de forma continua y en todo el cuerpo. Muchos efectos secundarios no deseados podrían eliminarse dirigiendo un medicamento a un tejido corporal específico y activándolo solo cuando sea necesario. La nueva tecnología descrita por Anikeeva y sus colegas es un paso hacia este objetivo final.
“Nuestro próximo objetivo es utilizar estos implantes neurales para administrar otros fármacos fotoconmutables a los receptores diana que se expresan naturalmente en estos circuitos”, dice Frank, cuyo nuevo laboratorio en el Instituto Vollum en OHSU está sintetizando nuevas moléculas controlables por luz. «El hardware presentado en este estudio será ampliamente aplicable para controlar circuitos en todo el cerebro, permitiendo a los neurocientíficos manipularlos con mayor precisión».
