Nous microdispositius bioelectrònics permeten l’estimulació cel·lular remota per ultrasons
La UAB i l’IMB-CNM han desenvolupat microdispositius amb nanoestructures piezoelèctriques que permeten estimular cèl·lules de manera remota, eficaç i controlada. Activats mitjançant ultrasons d’ús biomèdic, aquests microdispositius generen senyals elèctrics capaços d’induir respostes cel·lulars, cosa que obre noves vies per al desenvolupament de teràpies menys invasives i més precises.
La Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i l’Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC) han desenvolupat una nova generació de microdispositius piezoelèctrics sense fil capaços d’estimular elèctricament cèl·lules vives de manera individual. L’estudi, publicat recentment a la revista Small i seleccionat com a portada principal, demostra com aquests microdispositius poden convertir forces mecàniques, ja siguin produïdes per les mateixes cèl·lules o aplicades externament mitjançant ultrasons, en senyals elèctrics que permeten l’activació de processos cel·lulars de manera controlada i no invasiva. En el treball han participat també investigadors de l’Institut de Fisiologia de l’Acadèmia de Ciències Txeca.
La investigació s’emmarca en l’àmbit de l’electrocèutica, una teràpia basada en l’aplicació d’estímuls elèctrics per modular processos cel·lulars o tissulars que, al seu torn, permeten el control de senyals o la reparació de teixits. Per valorar-ne l’abast, cal aclarir què s’entén per «activació cel·lular». Aquest concepte es refereix a la resposta d’una cèl·lula davant d’un estímul, ja sigui intern o extern, que desencadena processos cel·lulars, com la proliferació o la diferenciació. En aquest estudi, l’estímul és el camp elèctric local produït per nanogeneradors piezoelèctrics d’òxid de zinc en resposta a una actuació mecànica. Aquesta acció produeix un increment en l’activació cel·lular mitjançant rutes de senyalització per calci en el moment de l’estímul.
«Els microdispositius desenvolupats aconsegueixen aplicar estímuls en cèl·lules individuals i, a causa de la seva mida de desenes de micres, permetrien una teràpia molt precisa i dirigida. A més, aquesta estimulació és sense fil i mínimament invasiva, ja que s’actua de manera remota mitjançant ultrasons en el rang biomèdic», aclareix Laura Lefaix, investigadora del grup NEMESYS Lab de l’IMB-CNM-CSIC i primera autora de l’estudi.
Piezoelectricitat per a l’estimulació cel·lular
A l’hora de fabricar aquests dispositius, la Sala Blanca de l’IMB-CNM ha estat clau. La microfabricació basada en silici és la base tecnològica que permet el desenvolupament de micropartícules de diòxid de silici sobre les quals s’integren aquests nanogeneradors d’òxid de zinc. Aquest material piezoelèctric és el responsable de generar un camp elèctric local en ser sotmès a una deformació mecànica, en aquest cas pels ultrasons.
Els assajos cel·lulars que han permès confirmar la funcionalitat dels microdispositius s’han dut a terme a les instal·lacions del Departament de Biologia Cel·lular, de Fisiologia i d’Immunologia de la UAB, al si del grup BioTEn Lab, liderat per Andreu Blanquer i Carme Nogués. L’equip investigador va utilitzar diversos indicadors per avaluar l’activació, entre ells, canvis en els nivells de calci intracel·lular i variacions en el potencial de membrana, ambdós fonamentals en la senyalització cel·lular, el procés mitjançant el qual les cèl·lules reben senyals i hi responen. En aquest sentit, Andreu Blanquer destaca que «els resultats obtinguts han permès demostrar que aquests microdispositius són capaços d’induir canvis a la membrana cel·lular i conèixer el mecanisme pel qual s’activen les cèl·lules. Aquest tipus de modulació bioelèctrica és clau per entendre com els estímuls físics poden traduir-se en senyals biològics».
El treball combina simulació i experimentació, la qual cosa permet comprendre els mecanismes de funcionament de l’estimulació, així com validar el funcionament dels microdispositius. Un dels principals reptes consistia a avaluar els paràmetres de l’actuació mitjançant ultrasons per a una òptima estimulació elèctrica de les cèl·lules, així com entendre els mecanismes fonamentals pels quals es produeix aquesta interacció.
Laura Lefaix assenyala que «els resultats validen la idea que es pot reduir la mida dels dispositius piezoelèctrics a l’ordre de les desenes de micres mantenint-ne la funcionalitat». Així doncs, «mitjançant aquest mètode es van activar fins al 58 % de les cèl·lules en la mostra de manera controlada», precisa l’autora. Els microdispositius es van assajar en cèl·lules òssies (línia Saos-2) perquè resulten un model robust per a aquest tipus d’experiments per la presència de canals iònics activats per voltatge a les membranes.
Gonzalo Murillo, coordinador de l’estudi i Premi Nacional d’Investigació per a Joves Ángela Ruiz Robles 2023, afegeix que, a més de l’eficàcia, «el microdispositiu presenta avantatges rellevants des del punt de vista tecnològic, ja que és biocompatible, permet una estimulació sense fil i localitzada, i la seva fabricació és escalable i adaptable, la qual cosa facilita la producció massiva de microdispositius amb diferents configuracions».
Portada de la revista, amb una cèl·lula de color taronja interactuant amb microdispositius adherits a la seva superfície (representats com a elements esfèrics en gris) (Imatge millorada amb IA per a contrastos i colors). A la dreta, comparativa que mostra, a l' esquerra, el cultiu de control sense microdispositius; a la dreta, les cèl·lules cultivades en la matriu de microdispositius.
Continuïtat d'una línia de recerca emergent
Titulat Suspendable and Scalable Ultrasound-Actuated ZnO-Nanosheet-Based Piezoelectric Microdevices for Wireless Electrical Stimulation of Cells, l'estudi compta amb una àmplia participació d'investigadors de l’IMB-CNM-CSIC, incloent-hi Laura Lefaix, Gonzalo Murillo, Marc Navarro i Jaume Esteve. També amb participació de la UAB, Andreu Blanquer i Carme Nogués, i de l' Institute of Physiology of the Czech Academy of Sciences, Lucie Bacakova. Els resultats han estat publicats en la revista Small, on l'article ha estat seleccionat com a portada principal, destacant la rellevància i el caràcter innovador del treball.
El treball dona continuïtat a investigacions prèvies de l’equip i va un pas més enllà en la demostració de la capacitat d’aquests microdispositius per activar cèl·lules mitjançant interaccions electromecàniques amb el material. En aquesta ocasió, s’amplia el concepte introduint-hi estimulació remota basada en ultrasons, amb la qual cosa es consolida una línia de recerca amb gran potencial en l’àmbit de la bioelectrònica.
Article de referència: L. Lefaix, M. Navarro, L. Bacakova, et al. “Suspendable and Scalable Ultrasound-Actuated ZnO-Nanosheet-Based Piezoelectric Microdevices for Wireless Electrical Stimulation of Cells.” Small22, no. 26 (2026): e11170. https://doi.org/10.1002/smll.202511170