Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Diseñando Microherramientas Quirúrgicas Inteligentes

Monday, November 30, 2009

Esta imagen muestra la escala del tamaño de la micropinza comparada a un centavo. Las micropinzas de 0.1-1mm parecen diminutas partículas de polvo. (Credit: T. G. Leong [Gracias Laboratory, Johns Hopkins University])

This image shows the size scale of the microgripper relative to a penny. The 0.1-1 mm grippers resemble tiny dust particles. (Credit: T. G. Leong [Gracias Laboratory, Johns Hopkins University]) 

El movimiento de células y componentes celulares por sí solos es un distintivo de todos los sistemas vivientes. La luz hace que se abran las flores; sutiles señales bioquímicas provocan un movimiento en masa de microbios hacia la fuente de alimento y de células inmunes hacia una herida; y energía química energiza los motores moleculares que reordenan los cromosomas durante la división celular. Todos estos procesos vitales ocurren sin cables ni baterías. Los investigadores observan dichos procesos biológicos para inspirar el desarrollo de herramientas biomédicas mejoradas. Tal es el caso de un investigador en Johns Hopkins quien ha tenido éxito desarrollando una micropinza que no requiere de ninguna fuente de electricidad para realizar su función.

Hasta ahora, los ingenieros han fracasado en gran medida en el diseño de máquinas que operan en respuesta a señales químicas – es decir, hasta que David H. Gracias, Profesor Asociado de Ingeniería Química y Biomolecular en la Universidad de Johns Hopkins, ideó una herramienta de tamaño microscópico que se abre y cierra en respuesta a químicos. La micropinza no requiere de baterías ni de ninguna otra fuente de electricidad..

La idea de utilizar química para generar movimiento para uso en aplicaciones quirúrgicas es definitivamente novedosa. “Es difícil hacer algo autónomo si requieres de baterías. Tienes que recargar las baterías, y es muy difícil hacer baterías pequeñas. Además, puede incrementar mucho el costo”, explica el Dr. Gracias. Otras micro herramientas quirúrgicas no pueden usarse en lugares difíciles de alcanzar en el cuerpo debido a que están conectadas por cables. Durante pruebas de laboratorio, la micropinza inalámbrica del Dr. Gracias se conducía fácilmente a través de los tubos enrollados.

La micropinza es fuerte aunque suave. Durante pruebas, el aparato sujetó eficientemente y transportó conjuntos de células vivas sin dañarlas – las células siguieron creciendo después de ser liberadas de la pinza. La micropinza se puede acondicionar con puntas filosas para cortar a través del tejido conectivo y sacar las células. “Este pequeño aparato, sin nada de electricidad, era lo suficientemente fuerte para cortar un trozo de células de un pedazo de vejiga, un tejido duro”, afirma el Dr. Gracias.

La micropinza está moldeada en forma de puño no más ancha que un cabello humano y tiene varios dedos adheridos a una palma central. Los dedos están constituidos de una delgada película compuesta de dos metales y cubierta con una capa de polímero que mantiene la pinza en una posición abierta. Cuando se calienta o se expone a ciertos químicos, la capa de polímero se suaviza, se degrada, o se separa en capas, permitiendo que la pinza se cierre. Debido a la composición metálica particular de la micropinza, se podría utilizar un escáner de imagen por resonancia magnética (MRI, en inglés) o de tomografía computarizada (CT, en inglés) para visualizar la micropinza adentro de un cuerpo humano, y su movimiento puede navegarse remotamente con un simple imán de barra hasta 10 cm a distancia o utilizando un sofisticado sistema de dirección magnética.

 

Posibles Aplicaciones

En respuesta a cambios de temperatura, un micropinza inalámbrica apresa un grupo de células vivas al final de un estrecho tubo capilar de vidrio. La micropinza fue guiada hacia fuera del tubo con células capturadas a su alcance. Watch a movie. (Referencia: T. G. Leong et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2009 Jan 20;106(3):703-8.)

In response to a temperature change, a tetherless microgripper grabs onto a clump of live cells at the end of a narrow glass capillary tube. The microgripper was guided out of the tube with captured cells in its grasp. Watch a movie. (Reference: T. G. Leong et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2009 Jan 20;106(3):703-8.)

Se pueden producir micropinzas inalámbricas en masa, a bajo costo, y en tamaños más pequeños que sus equivalentes eléctricos. Actualmente son del tamaño correcto para micro cirugía. “Estamos trabajando en construir un juego completo de herramientas – algo que pueda engrapar y cortar, sin necesidad de cables o alambres”. Si se pudieran hacer las pinzas lo suficientemente pequeñas, podrían capturar células individuales, las cuales podrían ser usadas para probar nuevos medicamentos in vitro. El análisis de la respuesta a los medicamentos a nivel de célula individual puede ofrecer a los investigadores un conocimiento más profundo de los procesos celulares que el observar la respuesta promedio de muchas células.

Si las micropinzas se cubrieran con moléculas que específicamente se unen con proteínas en la superficie de células cancerosas, podrían guiarse por sí solas hacia los tumores en la recolección de biopsia. “Las células cancerosas en sí liberarían potencialmente los químicos que ocasionarían que se cerraran las pinzas a su alrededor”, explica Christina Randall, una estudiante de posgrado en el laboratorio del Dr. Gracias. Una vez capturadas, las células se pueden cultivar dentro de las micropinzas y aún congelarse hasta que puedan ser analizadas en el laboratorio. “Estamos trabajando para hacer las micropinzas con polímeros en lugar de metal de manera que sean transparentes y podamos ver lo que se captura dentro de ellas”, añade Randall. El equipo de investigación descubrió que muchos compuestos biocompatibles tales como soluciones salinas, glucosa, y amino ácidos pueden liberar los cables de la micropinza. Este enfoque podría ser útil para administrar medicamentos en los sitios de enfermedad. El Dr. Gracias prevé también que las micropinzas remuevan coágulos de sangre, cierren aneurismas, y actúen como células inmunes artificiales.

 

Mejoras Hacia el Futuro

En esta imagen fluorescente microscópica, una micropinza se cierra alrededor de células vivas (verde) en respuesta a una señal bioquímica. (Referencia: T. G. Leong et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Jan 20;106(3):703-8.)

In this fluorescence microscopy image, a microgripper closes around live cells (green) in response to a biochemical signal. (Reference: T. G. Leong et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Jan 20;106(3):703-8.)

“Una nueva oleada de aparatos médicos miniatura implica eliminar el cable de manera que puedan ser tragados o inyectados en el torrente sanguíneo. La gente ya hace píldoras que contienen cámaras y que las puedes tragar”, comenta el Dr. Gracias. Advierte que el poder inyectar las pinzas en los vasos sanguíneos es algo aún lejano en el futuro. A su tamaño actual, los micropinzas podrían insertarse a través de otros orificios como los que se usan en cirugía de mínima invasión.

A pesar de que las micropinzas se pueden controlar con cambios sutiles de temperatura, la impulsión química es más interesante a largo plazo porque permitiría que la micropinza respondiera a los químicos ya presentes en el cuerpo, tales como señales emitidas por un tumor. A la larga, las micropinzas serán diseñadas para moverse en forma autónoma hacia la fuente de la señal bioquímica. Los siguientes pasos inmediatos están haciendo a las pinzas más pequeñas y haciéndolas capaces de moverse independientemente (sin un imán), cerrándose alrededor de las células y volviéndose a abrir, y respondiendo a los anticuerpos y enzimas. Se están llevando a cabo negociaciones para probar las micropinzas en cirugía y autorizarlas como aparatos médicos. “Esperamos que, más adelante, las micropinzas formen parte de cirujanos robóticos individuales. Podrían localizar lo que querías encontrar utilizando señales químicas, tomar una muestra o hacer un análisis básico, y enviar información via señales de radio. Podrías hacer todo con tan sólo una inyección con aguja”, observa Randall.

Este trabajo está apoyado por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 

Referencias

Leong TG, Randall CL, Benson BR, Bassik N, Stern GM, Gracias DH. Tetherless thermobiochemically actuated microgrippers. Proc Natl Acad Sci USA. 2009 Jan 20;106(3):703-8.

Randhawa JS, Leong TG, Bassik N, Benson BR, Jochmans MT, Gracias DH. Pick-and-place using chemically actuated microgrippers. J Am Chem Soc. 2008 Dec 24;130(51):17238-9.

Fernandes R, Gracias DH, Toward a miniaturized mechanical surgeon. Materials Today 2009, October 26; 12 (10): 14-20.

http://www.jhu.edu/chembe/gracias/

http://inbt.jhu.edu/tiny-medical-tool-nets-gracias-new-innovator-award/2008/09/25