Una tecnología de grafeno ofrece información en tiempo real sobre la vulnerabilidad neuronal tras un ictus

Un equipo científico ha desarrollado una nueva tecnología basada en grafeno que monitoriza el cerebro para comprender mejor qué sucede en este órgano después de un accidente cerebrovascular e identifica áreas en riesgo de sufrir daños adicionales. El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), organismo adscrito al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, participa en esta investigación, cuyo objetivo es ofrecer a la comunidad médica una herramienta con información en tiempo real sobre las condiciones del tejido cerebral para mejorar el tratamiento durante el ictus.

La investigación, publicada en la revista Brain, puso en contacto a expertos en neurociencia, investigación sobre accidentes cardiovasculares, ingeniería y materiales avanzados de la Universidad de Manchester, el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC) y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) en Barcelona, junto con el socio industrial Multi Channel Systems en Alemania.

Cuando una persona sufre un ataque cerebrovascular isquémico, una obstrucción irrumpe el flujo sanguíneo a una parte del cerebro. Sin embargo, el daño no se detiene de inmediato. Unas ondas de actividad eléctrica alterada, conocidas como despolarizaciones corticales propagadas, se desplazan por el cerebro lesionado y pueden causar daños adicionales. Hasta ahora, ha resultado difícil medir estas señales con precisión, ya que las tecnologías existentes no son capaces de capturar los cambios eléctricos extremadamente lentos que intervienen en el proceso.

Mediante el uso de sensores de grafeno de alta sensibilidad colocados en el cerebro, los científicos lograron registrar estas ondas eléctricas con un nivel de detalle sin precedentes. Descubrieron que la forma de las señales eléctricas revelaba información importante sobre el estado del tejido cerebral circundante. Las señales permitían distinguir entre tejido relativamente sano, tejido en riesgo y tejido ya gravemente afectado. Estas pruebas se realizaron en modelos de ratón.

Asimismo, los investigadores hallaron que estas señales podían predecir cómo respondería el flujo sanguíneo a la onda eléctrica. En el tejido más sano, el flujo sanguíneo aumentaba para ayudar al cerebro a recuperarse del evento, mientras que en el vulnerable el flujo podía disminuir aún más, agravando la lesión.

El equipo demostró que estas respuestas perjudiciales podían modificarse mediante el uso de una dosis baja de ketamina, un fármaco ya utilizado en medicina. La ketamina redujo la duración de las ondas eléctricas dañinas, transformó la respuesta del flujo sanguíneo asociada (pasando de una vasoconstricción potencialmente nociva a una vasodilatación) y disminuyó la extensión total del daño cerebral. Estos hallazgos revelan un posible mecanismo que podría contribuir a los efectos neuroprotectores de la ketamina tras un accidente cerebrovascular.

Los resultados sugieren que la monitorización cerebral basada en grafeno podría ofrecer algún día a la comunidad médica una ventana en tiempo real al estado del tejido cerebral durante un accidente cerebrovascular. Esto ayudaría a identificar a los pacientes con mayor riesgo de sufrir lesiones adicionales y respaldaría el desarrollo de nuevos tratamientos destinados a proteger el cerebro y mejorar la recuperación.

“En términos generales, el estudio demuestra cómo las tecnologías de vanguardia no solo pueden mejorar la forma en que se mide la actividad cerebral, sino también revelar información nueva e importante sobre cómo se desarrollan las lesiones cerebrales y cómo podrían tratarse”, explica Rob Wykes, de la Universidad de Manchester.

“Registrar las frecuencias bajas sigue siendo un reto con las tecnologías actuales. Llevamos años desarrollando nuestra tecnología basada en grafeno, cuyos primeros resultados publicamos en 2018, y el reto ha sido estandarizarla y madurarla para su uso en estudios preclínicos de relevancia”, señala Anton Guimerà-Brunet, investigador del CSIC en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM).

El primer autor del estudio es Samuel Flaherty, de la Universidad de Mánchester. Los autores de correspondencia es Anton Guimerà-Brunet, del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC), y Rob Wykes, de la Universidad de Mánchester y el UCL Queen Square Institute of Neurology.

Una colaboración consolidada

Este avance supone un nuevo hito en una colaboración de larga trayectoria entre el IMB-CNM, la Universidad de Manchester y el ICN2, cuyo primer hito es la tecnología de microtransistores de grafeno para el registro de señales cerebrales ultralentas publicado originalmente en Nature Materials en 2018.

Desde entonces, los equipos han continuado desarrollando tecnologías de grafeno para interfaces neuronales, avanzando tanto en el registro de señales cerebrales en un amplio rango de frecuencias como en dispositivos capaces de combinar registro y estimulación neural, con trabajos publicados en Nature Nanotechnology y, más recientemente, en Nature Communications. Estas tecnologías se desarrollan y validan en colaboración con grupos especializados para explorar su aplicación más allá del laboratorio.