Un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado un dispositivo que es un primer paso para habilitar terapias no invasivas basadas en ultrasonido para el cerebro. Por ejemplo, actualmente se están utilizando ondas de ultrasonido en ensayos clínicos para tratar la epilepsia.

Los enfoques actuales están enfocando las ondas de ultrasonido para alcanzar su objetivo específico en el cerebro. Pero esto ha resultado difícil, ya que el ultrasonido tiende a rebotar dentro del cráneo, lo que lleva a que algunas áreas del cerebro estén sobreexpuestas mientras que otras no están lo suficientemente expuestas. En el peor de los casos, esto puede causar hemorragia y sobrecalentamiento en el tejido cerebral.

«No podemos modificar el interior del cráneo», dijo el autor principal, el profesor James Friend, del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de California en San Diego. “Lo único que pudimos hacer fue cambiar la forma en que funciona el dispositivo que produce el sonido”.

Los investigadores probaron un enfoque diferente: difundir las ondas de ultrasonido en lugar de enfocarlas. Lo lograron colocando un difusor a microescala en el transductor que produce las ondas de ultrasonido. El dispositivo está construido en base al difusor Schroeder, el mejor difusor de sonido que pueden proporcionar los modelos matemáticos. Esta es la misma matemática que se usa para diseñar salas de conciertos para que todos los miembros de la audiencia puedan escuchar música perfectamente.

El equipo detalla su investigación en la edición del 16 de febrero de Advanced NanoBiomed Research.

Las ondas de ultrasonido se aplican a células que han sido diseñadas por investigadores del Instituto Salk para que respondan mejor a los estímulos de ultrasonido. Las células se exponen a un adenovirus que hace que formen un canal de iones llamado TRPA1 que es sensible a los ultrasonidos.

“Al usar un enfoque específico para esta entrega, podemos usar ultrasonido distribuido uniformemente en lugar de ultrasonido enfocado”, dijo Friend.

Los investigadores demostraron que el dispositivo funcionó según lo previsto primero en una placa de Petri con células de riñón embrionario humano y células neuronales. Las células mostraron una activación dos veces mayor en el canal TRPA1 con el difusor que sin él.

Además, los investigadores utilizaron el difusor con un generador de ondas de ultrasonido en ratones. Descubrieron que el difusor crea un campo acústico uniforme en la cavidad del cráneo, lo que garantiza que solo se estimulen las regiones del cerebro diseñadas para ser sensibles al ultrasonido.

“La idea detrás de la sonogenética es diseñar células para que respondan mejor a los estímulos de ultrasonido”, dijo Aditya Vasan, estudiante de doctorado en el laboratorio de Friend y primer autor del artículo.

“Hacemos esto mediante la detección de proteínas que responden a la estimulación de ultrasonido a presiones y frecuencias específicas; y mediante la ingeniería genética de regiones cerebrales específicas para expresar estas proteínas.

El difusor está construido con pequeños hoyos que modulan cómo se emiten las ondas de ultrasonido. En concreto, el difusor garantiza que las ondas se emitan de forma escalonada, lo que ayuda a evitar la creación de ecos. Las profundidades de los pozos se calculan con el modelo de difusor de Schroeder.

Los próximos pasos incluyen una mejor comprensión de la forma en que las ondas de ultrasonido estimulan las células y la realización de estudios in vivo más amplios.

“Uno de los objetivos de la sonogenética es controlar qué células responden: piense en ello como una perilla que controla las luces sobre las que tiene un control preciso”, dijo Vasan. “En última instancia, queremos demostrar que la sonogenética funciona en las personas”.

Acústica de sala de conciertos a microescala para producir estimulación ultrasónica uniforme para sonogenética específica en células transfectadas con hsTRPA1

Aditya Vasan, James Friend, Laboratorio de Dispositivos Médicamente Avanzados, Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Escuela de Ingeniería Jacobs y Departamento de Cirugía, Escuela de Medicina, Universidad de California en San Diego

Uri Magaram, Programa de Posgrado en Neurociencias, UC San Diego

Florian Allein, Nicholas Boechler, Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, UC San Diego

Marc Duque, Sreekanth H. Chalasani, Instituto Salk de Estudios Biológicos