La biopsia de orgánulos subcelulares solía ser un ejercicio de alto riesgo, pues comprometía la viabilidad de la célula madre. Sin embargo, un nuevo desarrollo en nanorrobótica automatizada ha logrado superar este desafío.
Investigadores del Department of Microelectronics at Southern University of Science and Technology, junto con otras organizaciones presentaron una plataforma que puede extraer mitocondrias funcionales de células vivas de manera precisa y, lo más importante, sin necesidad de recurrir a etiquetas fluorescentes.
Este avance establece un nuevo estándar de mínima invasión y abre la puerta a la cirugía unicelular para el trasplante de orgánulos, lo que podría tener implicaciones profundas para el tratamiento de enfermedades crónicas.
La Detección que Evita la Luz y el Daño
Tradicionalmente, para realizar una biopsia, los científicos dependían de técnicas de etiquetado fluorescente que requieren aumentar la intensidad de la luz de excitación para mejorar la resolución espacial, lo que a su vez causa fotodaño y citotoxicidad.
El nuevo sistema robótico evita este problema al integrar un nanoprobo multifuncional que fusiona un sensor y un actuador en la misma punta, eliminando el clásico problema de colocación y la dependencia de la luz.
Nanoelectrodos: Sensor y Pinza en la Misma Unidad
El secreto de esta tecnología radica en un diseño doble con dos nanoelectrodos de platino, cada uno con una función crítica:
- Detección de Mitocondrias (Modo Sensor): Las mitocondrias son conocidas como las «centrales eléctricas» de la célula y producen Especies Reactivas de Oxígeno y Nitrógeno (ROS/RNS) como subproductos de su metabolismo. El platino en los electrodos reacciona con estas especies bajo un pequeño voltaje, generando una corriente que actúa como un indicador de la presencia de mitocondrias cercanas en tiempo real, con una resolución temporal superior a 1 kHz.
- Extracción de Precisión (Modo Actuador): Una vez que la corriente supera un umbral, el sistema conmuta instantáneamente al modo de pinza dielectroforética (DEP). El nanoprobo aplica un campo eléctrico alterno (1 MHz) que atrapa la mitocondria, explotando sus propiedades dieléctricas. Esta fuerza solo se extiende unos 1.8 µm alrededor de la punta, garantizando una alta selectividad espacial en la extracción.
El cambio rápido de modo de sensor a actuador, que opera mediante señales eléctricas a una tasa de 1 MHz, simplifica el proceso de manipulación y mejora la capacidad de respuesta dinámica.
96% de Supervivencia: El Éxito de la Mínima Invasión
El tamaño nanométrico de la punta y la precisión del control robótico aseguran que la operación sea mínimamente invasiva. Esta característica es un punto de inflexión para la investigación, pues permite un manejo celular sin precedentes:
- Alta Viabilidad: La tasa de supervivencia celular fue de un notable 96% después de la detección, y se mantuvo en 80% incluso después de la activación del DEP.
- Sondeo Múltiple: Las células sobrevivieron hasta siete penetraciones por el nanoprobo, lo que demuestra la baja invasividad del sistema en comparación con otros métodos.
- Muestra Funcional: Las mitocondrias extraídas conservaron su actividad biológica, una conclusión respaldada por la posterior confirmación de mtDNA mediante qPCR y el análisis de potencial de membrana mitocondrial.
«Este sistema automatizado, libre de etiquetas, de manipulación microscópica para la extracción in situ de orgánulos, ofrece una poderosa herramienta para comprender los mecanismos de las enfermedades vinculadas a orgánulos disfuncionales y permite cirugías unicelulares para el trasplante de orgánulos». Destacaron los investigadores.
Trasplante Mitocondrial y la Nueva Frontera Terapéutica
La meta final de la biopsia es obtener orgánulos sanos para el trasplante. El sistema robótico demostró ser capaz de transferir mitocondrias extraídas a células receptoras, donde se observó la fusión exitosa con la red mitocondrial ya existente en el receptor en varios ensayos.
Este proceso de transferencia directa evita los pasos de aislamiento in vitro, como la centrifugación y la homogeneización, que suelen comprometer la funcionalidad del orgánulo al exponerlo a condiciones no fisiológicas.
La capacidad de extraer y trasplantar mitocondrias funcionales directamente abre una nueva vía en la medicina, enfocada en la terapia de reemplazo para enfermedades ligadas a la disfunción mitocondrial.
- Enfermedades a Tratar: El trasplante mitocondrial está siendo investigado para patologías con base energética o de estrés oxidativo, incluyendo trastornos neurodegenerativos (como el Parkinson y el Alzheimer) y afecciones cardiovasculares (como la lesión por isquemia/reperfusión).
- Base Genética: La técnica podría usarse para reducir la carga de mutaciones en el ADN mitocondrial (mtDNA) al introducir mitocondrias sanas en células enfermas, diluyendo la mutación en trastornos como el síndrome de Leigh.
Los Desafíos Pendientes para la Aplicación Humana
A pesar del potencial de la nanorrobótica, su traducción a la clínica enfrenta barreras logísticas y éticas, especialmente al considerar la aplicación en humanos.
Inmunidad, Almacenamiento y Entrega
La entrega dirigida de las mitocondrias es un reto técnico, especialmente para el sistema nervioso central (SNC), donde la barrera hematoencefálica (BBB) restringe el paso. Por otro lado, la logística básica sigue siendo compleja: las mitocondrias aisladas tienen una vida útil limitada (alrededor de 1 hora) y se necesitan protocolos de almacenamiento más seguros y eficaces.
Además, la seguridad a largo plazo sigue siendo una preocupación fundamental:
- Riesgo de Rechazo: El uso de mitocondrias de donantes (alogénicas) podría provocar una respuesta inmunológica e inflamatoria del cuerpo del paciente, ya que los componentes mitocondriales liberados actúan como patrones moleculares de daño que activan el sistema inmune.
- Riesgo Genético: Existe la preocupación sobre el riesgo de introducir mtDNA foráneo y su posible interacción adversa con el genoma nuclear del huésped, lo que podría generar inestabilidad genética o disfunción a largo plazo.
Consideraciones Éticas en la Investigación Humana
El desarrollo de estas terapias debe adherirse a estrictos principios éticos, como los establecidos en la Declaración de Helsinki. Estos principios se centran en la protección de los participantes:
- Respeto por la Autonomía: El sujeto debe tener el derecho a la autodeterminación y a tomar decisiones informadas sobre su participación.
- Consentimiento Informado: Se requiere un consentimiento libre, sin presiones, y con pleno conocimiento de los riesgos y beneficios de la investigación, así como el derecho a retirarse en cualquier momento.
- Prevalencia del Bienestar: El bienestar del sujeto debe prevalecer siempre sobre los intereses de la ciencia y de la sociedad.
La Nueva Era de la Medicina Subcelular
Al fusionar la electroquímica y la nanorrobótica, este sistema ha demostrado un método automatizado y mínimamente invasivo para la biopsia label-free de orgánulos funcionales.
El desarrollo promete un futuro donde la cirugía unicelular se convierte en una herramienta viable no solo para la investigación de los mecanismos de las enfermedades, sino también como una alternativa terapéutica para el reemplazo mitocondrial y la reversión de la disfunción celular.
