Uma equipe liderada por pesquisadores da Carnegie Mellon University criou uma nova tecnologia que aumenta a capacidade dos cientistas de se comunicarem com as células neurais usando a luz. Tzahi Cohen-Karni, professor associado de engenharia biomédica e ciência e engenharia de materiais, liderou uma equipe que sintetizou grafeno difuso tridimensional em um modelo de nanofio para criar um material superior para células estimulantes fototermicamente. O grafeno difuso tridimensional (3-D) modelado NW (NT-3DFG) permite a estimulação óptica remota sem a necessidade de modificação genética e usa ordens de magnitude menos energia do que os materiais disponíveis, prevenir o estresse celular.

O grafeno é abundante, barato, e biocompatível. O laboratório de Cohen-Karni trabalha com grafeno há vários anos, desenvolver uma técnica de sintetizar o material em topologias 3-D que ele chamou de grafeno "difuso". Crescendo flocos de grafeno bidimensionais (2-D) fora do plano em uma estrutura de nanofio de silício, eles são capazes de criar uma estrutura 3-D com absorção óptica de banda larga e eficiência fototérmica incomparável.

Essas propriedades o tornam ideal para a modulação da eletrofisiologia celular usando a luz por meio do efeito optocapacitivo. O efeito optocapacitivo altera a capacitância da membrana celular devido aos pulsos de luz aplicados rapidamente. O NT-3DFG pode ser feito prontamente em suspensão, permitindo o estudo da sinalização celular dentro e entre os sistemas de células 2-D e 3-D, como organóides baseados em células humanas.

Sistemas como esses não são apenas cruciais para entender como as células sinalizam e interagem umas com as outras, mas também têm grande potencial para o desenvolvimento de novos, intervenções terapêuticas. Exploração dessas oportunidades, Contudo, foi limitada pelo risco de estresse celular que as tecnologias de controle remoto óptico existentes apresentam. O uso de NT-3DFG elimina esse risco usando significativamente menos energia, em uma escala de 1 a 2 ordens de magnitude a menos. Sua superfície biocompatível é fácil de modificar quimicamente, tornando-o versátil para uso com diferentes tipos de células e ambientes. Usando NT-3DFG, tratamentos de estimulação fototérmica podem ser desenvolvidos para o recrutamento motor para induzir a ativação muscular ou podem direcionar o desenvolvimento do tecido em um sistema organoide.

"Este é um excelente trabalho colaborativo de especialistas de várias áreas, incluindo neurociência por meio de Pitt e UChicago, e fotônica e ciência de materiais por meio de UNC e CMU, "disse Cohen-Karni." A tecnologia desenvolvida nos permitirá interagir com os tecidos de engenharia ou com o nervo ou tecido muscular in vivo. Isso nos permitirá controlar e afetar a funcionalidade do tecido usando luz remotamente com alta precisão e baixas energias necessárias. "

Contribuições adicionais para o projeto foram feitas por Maysam Chamanzar, professor assistente de engenharia elétrica e da computação. A experiência central de sua equipe em fotônica e neurotecnologias ajudou no desenvolvimento das ferramentas necessárias para permitir a caracterização dos nanomateriais híbridos exclusivos, e na estimulação das células enquanto registra opticamente sua atividade.

"A absorção de banda larga desses nanomateriais 3-D nos permitiu usar luz em comprimentos de onda que podem penetrar profundamente no tecido para excitar remotamente as células nervosas. Este método pode ser usado em uma gama completa de aplicações, desde a concepção de terapêuticas não invasivas até estudos científicos básicos, "disse Chamanzar.

As descobertas da equipe são significativas tanto para nossa compreensão das interações celulares quanto para o desenvolvimento de terapias que aproveitam o potencial das próprias células do corpo humano. As nanoestruturas criadas com o NT-3DFG podem ter um grande impacto no futuro da biologia e da medicina humana.