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Revolucionaria nanotecnología española para la reparación de lesiones medulares

ByAxon, un proyecto europeo con liderazgo español, ha sentado las bases de nueva estrategia tecnológica para desarrollar dispositivos con los que «recablear» las fibras nerviosas. Dispositivos que leen y escriben en el tejido neuronal y que, por tamaño y biocompatibilidad, son aptos para una gran diversidad de usos médicos. 

Poca gente sabe que, no hace mucho tiempo, la mayor parte de las personas que habían sufrido una lesión medular morían en unos pocos días por infección de vejiga y la subsiguiente septicemia.

Esto pone en evidencia algo que solemos pasar por alto respecto a las lesiones medulares. Todos sabemos que causan inmovilidad de extremidades e incapacidad sensorial a estímulos externos, pero no solemos caer en la cuenta de que también causan incapacidad sensorial interna.

El cerebro no recibe información de los órganos, por tanto, no sabe cuándo la vejiga está llena. Como consecuencia se produce infección, esta lleva a septicemia (que sucede cuando la respuesta de nuestro sistema inmunitario a una infección causa daños en nuestros propios tejidos) y esta última, a su vez, produce el potencialmente mortal choque séptico. (Sí, esto guarda relación con el síndrome de tormenta de citoquinas que padecen algunos enfermos de COVID, un cuadro hiperinflamatorio).

Un campo de investigación en el que se están consiguiendo resultados espectaculares en los últimos años es el de los dispositivos de interfaz entre cerebro y máquina. Sistemas que leen las señales del cerebro y que, sumando a esto el aprendizaje humano y técnicas de inteligencia artificial, permiten que el individuo realice acciones voluntarias sobre el mundo que le rodea.

La actividad eléctrica del cerebro puede leerse bien con electrodos aplicados sobre el cuero cabelludo (al estilo de los encefalogramas de toda la vida) o sobre la corteza cerebral (electrocorticografía), bien con sensores magnéticos externos basados en tecnología de resonancia magnética nuclear o SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica, que explotan el Efecto Josephson, uno de esos efectos que, con origen cuántico microscópico, produce efectos a escala macroscópica).

Sin embargo, ninguno de ellos resuelve el problema de la incapacidad sensorial interna. De hecho, no resuelven el problema de la incapacidad sensorial en absoluto, ni interna, ni externa.

Estas técnicas permiten leer, pero no escribir en el tejido cerebral.

Para esto último es necesaria la implantación de electrodos activadores en el cerebro. Estos, al igual que los electrodos lectores, ya existen. Sin embargo, todos los dispositivos desarrollados hasta la fecha adolecen de problemas de biocompatibilidad. Pueden originar infecciones y deben ser reemplazados cada cierto tiempo.

Por tanto, resultaba necesario abrir una nueva estrategia tecnológica y este ha sido, justamente, el propósito del proyecto ByAxon. Ello a través de un planteamiento multidisciplinar en consorcio europeo coordinado por la Dra. María Teresa González, del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA) de Nanociencia.

Esquema del implante medular. IMDEA Nanociencia.

¿Cuáles eran los objetivos concretos del proyecto ByAxon?

ByAxon nació para superar la carencia comentada por medio de un doble enfoque novedoso.

Primero, mediante el desarrollo de una nueva generación de dispositivos para interfaz entre máquina y tejido neuronal en general (no sólo cerebral).

Y segundo, centrando el disparo en la médula espinal. Al fin y al cabo, la médula es el mejor lugar para acceder a las señales provenientes de los miembros periféricos y órganos internos.

Ahora bien, lo segundo imponía condiciones adicionales sobre lo primero. En la médula espinal, las fibras nerviosas están tan empaquetadas que los dispositivos de interfaz a implantar debían ser, además, extremadamente pequeños y delicados.

En definitiva, dicha nueva generación de dispositivos debía, para tener éxito, poseer las siguientes características:

Funcionamiento bidireccional. Para permitir tanto la lectura en el tejido neuronal (sensorización) como la escritura sobre el tejido neuronal (activación).

Reducción sustancial de su tamaño respecto a los electrodos actuales. Para habilitar su implante en la médula y para permitirles hacer diana en cada una de sus fibras nerviosas de forma individualizada.

Biocompatibildad mejorada respecto a los electrodos preexistentes. Para garantizar la no infección y no necesidad de recambio a largo plazo.

Y, por último, funcionamiento en tiempo real (esto es, a la velocidad de los impulsos nerviosos) y a temperatura ambiente.

Los electrodos disponibles hasta la fecha no dan la talla. Y tampoco las tecnologías de lectura cerebral citadas anteriormente.

¿Alguien ve viable moverse por ahí con un equipo de encefalografía a cuestas? Y ya no digamos un equipo de resonancia magnética o un SQUID. Estos últimos, además, involucran el uso de superconductores y, por tanto, bajas temperaturas.

(Como referencia lateral, temperaturas tan bajas, al menos, como las que se requieren para la conservación de las vacunas antiCOVID de ARN mensajero. Cosa que, dicho sea de paso, se resolvería con vacunas de mARN-encapsulado como la desarrollada por el IQS de la Universidad Ramón Llull que ya funciona in vitro, pero que no ha llegado a fase clínica ¡por falta de financiación!)


¿Qué es lo que ha conseguido ByAxon?

En pocas palabras, el proyecto ByAxon ha conseguido desarrollar los dos tipos de dispositivos necesarios con una resolución e interacción con el tejido neuronal mejorada respecto a los preexistentes.

Ambas familias de dispositivos se basan en nanotecnología y, además, han superado los estudios de biocompatibilidad (tanto in vitro como in vivo) que los aproximan a su aplicación médica.

Los sensores desarrollados (los dispositivos que leen en el tejido neuronal) son sensores magnéticos basados en el Efecto AMR (cambio de la resistencia de determinados circuitos eléctricos al estar sometidos a campos magnéticos) que, al ser construidos sobre nanoestructuras (esto es, sobre una «placa base» hecha de unos pocos átomos dispuestos uno a uno con un patrón espacial prediseñado), multiplican su sensibilidad de medida.

Permiten sensibilidades entre los 1/10 y 1 nanotesla (10-9 Tesla). Ciertamente, muy lejos de la resolución de los SQUID (5×10-18 Tesla), pero suficientes para la aplicación objetivo. Para hacernos una idea, su sensibilidad de medida es del orden de 10.000 veces menor que el campo magnético terrestre.

Esquema de sensores y activadores. IMDEA Nanociencia.

Por su parte, los activadores desarrollados (los dispositivos que escriben en el tejido neuronal) son estimuladores eléctricos cuyo cableado consiste en una nanoestructura (en dos modalidades, metálica o polimérica) que les permite un contacto íntimo con el tejido neuronal.

Como vemos, el motivo para utilizar nanotecnología es múltiple. Reducción de tamaño, aumento de resolución espacial (para poder “dialogar” con fibras nerviosas individuales) y, en el caso de los sensores magnéticos, además, incremento de la sensibilidad de medida.

En definitiva, la nanociencia ha demostrado ofrecer la nueva estrategia tecnológica que se necesitaba: estamos delante de una nueva generación de dispositivos de interfaz que son implantables y que permiten «recablear» las fibras nerviosas de forma individual.

¿Quiénes han dado vida a ByAxon?

De forma inherente, ByAxon requería un enfoque multidisciplinar. De ahí la constitución del equipo que le ha dado vida y que integra conocimiento en las áreas de: la ciencia de nanomateriales, la electrónica, la biología y la medicina clínica. (La lista detallada de miembros se incluye en el apartado Referencias).

Y, ¡por cierto!, de forma espontánea (sin cuota de igualdad género de por medio) ha resultado ser un proyecto con claro protagonismo femenino.

Personas clave para el proyecto han sido: la ya mencionada Dra. en Física María Teresa González, coordinadora del proyecto; la Dra. María Concepción Serrano, experta en biocompatibilidad y miembro del CSIC, que ha trabajado de cerca con el equipo de la Dra. Elisa Dolado del Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo; la Dra. Laura Ballerini, persona a la vanguardia mundial en la interacción de nanomateriales con el tejido nervioso; la Dra. Laurence Méchin, experta en el desarrollo de nanosensores magnéticos, y el Dr. Rodolfo Miranda, director de IMDEA Nanociencia y de su Departamento de Nanomedicina.

Mayoría aplastante de mujeres. Porque si el cerebro de las mujeres es igual al de los hombres, no hay motivo para que las disciplinas STEM (ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas) sigan sin contar con ellas. Y si por el contrario su cerebro es diferente al de los hombres, hay motivo evidente para empezar a contar, en serio, con ellas.

Es pueril pensar que dicha diferencia significa inferioridad, más bien significará divergencia. Y, como mensaje a Inés (mi hija) y a todas las demás jóvenes mujeres: si queremos que la civilización humana cambie para mejor, necesitaremos vuestra divergencia como palanca, una mina de talento que tan infrautilizado ha estado hasta hace tan poco y que puede convertirse en la clave para empezar a pensar y hacer de forma diferente.

¿Qué aplicaciones tiene ByAxon?

El proyecto ByAxon es parte de FET (Future and Emerging Technologies), el programa europeo que, integrado en Horizonte 2020, tenía como objetivo fomentar caminos visionarios y radicales en ciencia básica que condujesen a posibilidades tecnológicas inéditas.

En efecto, ByAxon así ha hecho. Por un lado, ha desarrollado ciencia básica visionaria en el campo de los nanomateriales. Y por otro, ha abierto una nueva estrategia tecnológica para conseguir revolucionarias aplicaciones médicas.

No sólo hablamos de la reparación de tejido medular en la que se ha centrado este primer estudio, sino también de implantes retinianos, sistemas de grabación para pacientes con epilepsia y dispositivos de estimulación intracerebral profunda para pacientes con Parkinson, entre otros muchos. El tiempo y la apuesta por la investigación científica nos lo dirán.

Referencias

Los miembros del consorcio ByAxon son: el Laboratorio de Interfaces Neuronales del instituto IMDEA Nanociencia (Madrid, España), la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati de SISSA (Trieste, Italia), el Laboratorio de Interfaces para la Reparación Neuronal del Hospital Nacional de Parapléjicos de SESCAM (Toledo, España), el Laboratorio de la Dra. Serrano del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC (Madrid, España), el Centre National de la Recherche Scientifique – GREYC (Caen, Francia) y la empresa mfd Diagnostics (Wendelsheim, Alemania).

Artículos científicos

“Functional rewiring across spinal injuries via biomimetic nanofiber scaffolds” (2020)

Interfacing neurons with nanostructured electrodes modulates synaptic circuit features” (2020)

Transparent carbon nanotubes promote the outgrowth of enthorino‐dentate projections in lesioned organ slice cultures” (2019)

Room temperature biaxial magnetic anisotropy in La0.67Sr0.33MnO3 thin films on SrTiO3 buffered MgO (001) substrates for spintronic applications” (2018)

Nanostructures to Engineer 3D Neural‐Interfaces: Directing Axonal Navigation toward Successful Bridging of Spinal Segments” (2017)

Engineering Large Anisotropic Magnetoresistance in La0.7Sr0.3MnO3 Films at Room Temperature” (2017)

Sculpting neurotransmission during synaptic development by 2D nanostructured interfaces”(2017)

Favorable biological responses of neural cells and tissue interacting with graphene oxide microfibers” (2017)

Magnetic Sensors Based on AMR Effect in LSMO Thin Films” (2017).

 

 

Foto superior: IMDEA Nanociencia

Pablo Criado Boado

Pablo Criado Boado

Pablo Criado Boado es físico e informático, máster en gestión de la innovación y divulgador tecnológico.

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