Grafè i microelectrònica per desxifrar l'insondable de les malalties neuronals

El cinquè número de la revista CSIC Investiga s'endinsa en les claus i el funcionament de l'estructura biològica més complexa: el cervell humà. Mostra la investigació bàsica del CSIC que intenta desentranyar mecanismes com la neurogènesi, o generació de noves neurones, i que aborda les disfuncions del sistema nerviós en malalties com l'Alzheimer, l'autisme i la malaltia de Huntington, entre d'altres.

Grafè i microelectrònica per desxifrar l'insondable de les malalties neuronals és el reportatge que recull tota la investigació de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC) en la matèria i aquí queda reproduït íntegrament.

La revista també recull la formació a joves científics del CSIC especialitzant-se al cervell dins del reportatge Ultrasons i sensors de grafè per estudiar el cervell. Hi figura Enrique Fernández, estudiant predoctoral a l'IMB-CNM que treballa en el disseny de sensors neuronals flexibles de grafè.

Imatge principal: Oblia de silici processada, on s'aprecien les interfícies neuronals amb transistors de grafè. / INBRAIN

El grafè, amb la seva alta conductivitat, flexibilitat i biocompatibilitat, és el perfecte aliat per desxifrar l'activitat elèctrica del cervell i explorar teràpies per a malalties neurològiques, segons han demostrat els darrers anys els investigadors de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM- CSIC), juntament amb altres centres de recerca. Aplicar aquests avenços al diagnòstic i tractament de malalties com l'epilèpsia i el párkinson està cada cop més a prop, ja que ara l'empresa de base tecnològica Inbrain Neuroelectronics, cofundada per investigadors del CSIC, està desenvolupant transistors de grafè a la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació de l'IMB. L'empresa ja ha estat seleccionada per l'European Innovation Council (l'organisme de la Comissió Europea per impulsar la innovació a la UE), que li assigna un finançament Accelerator de 17,5 milions d'euros.

Feia anys que la comunitat científica desenvolupava materials per avançar en el coneixement del cervell i dels senyals involucrats en malalties com l'epilèpsia o el párkinson, que no es poden conèixer amb la tecnologia d'elèctrodes que s'usa fins ara. "Per comprendre millor les malalties cerebrals necessitem registrar i mapejar amb fiabilitat una àmplia gamma de freqüències, incloses les ultralentes, usant la mateixa matriu de sensors", explica Anton Guimerà, científic de l'IMB.

Projectes europeus com Graphene Flagship i BrainCom han donat forma a la col·laboració internacional d'institucions de recerca capdavanteres per aprofundir en aquest coneixement i en l'aplicació del grafè. Aquests consorcis han agrupat l'IMB, l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i el Centre de Recerca Biomèdica en Xarxa (CIBER), entre d'altres. El seu èxit més recent ha estat el desenvolupament de transistors de grafè capaços de detectar freqüències cerebrals extremadament baixes (una investigació que va ser portada de la revista Nature Materials).

A partir d´aquí, els transistors de grafè aconsegueixen sortir de l'àmbit científic i captar l'interès de la indústria. D'una banda, aquestes col·laboracions han donat lloc a tres patents i un secret industrial, de les quals el CSIC és titular majoritari juntament amb l'ICN2. De l'altra, el 2020 es va crear l'empresa de base tecnològica Inbrain Neuroelectronics per desenvolupar tecnologies disruptives en el tractament de malalties neurològiques. Va ser cofundada per Guimerà, i dos investigadors de l'ICN2, José A. Garrido i Kostas Kostarelos. El 2021 es va convertir en una de les empreses amb la major ronda de finançament feta a Espanya a la indústria tecnomèdica, amb una inversió de 15,8 milions encapçalada per Asabys Partners i Alta Life Sciences. Ara, la companyia està fabricant transistors de grafè a la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació del CSIC.

"Volem fer el primer assaig clínic en éssers humans el 2023 per aconseguir el mapeig cerebral per a la resecció de tumors i focus epilèptics", indica Carolina Aguilar, directora d'Inbrain Neuroelectronics, sobre els propers objectius de l'empresa, que ja ha fet proves a ratolins i animals grans. "Les proves les farem en un centre associat a la Universitat de Manchester, amb qui col·laborem, i serà la primera vegada que es fa servir el grafè al cervell d'un ésser humà", afegeix. Posteriorment, "ens centrarem en el desenvolupament de la plataforma a nivell crònic per a la descodificació i tractament de malalties del cervell".

Microtransistors de grafè en contacte directe amb el teixit cerebral

Les interfícies cerebrals existents es basen en metalls, com el platí o l'iridi, i poden tenir múltiples efectes secundaris. La tecnologia desenvolupada consisteix en uns elèctrodes de grafè nanoestructurat de dimensions micromètriques i, per les seves propietats, aporten nombrosos avantatges davant dels elèctrodes metàl·lics.
Els microtransistors són un full de grafè en contacte directe amb el teixit cerebral connectat per dues pistes de metall a l'electrònica de registre. Aquests dispositius "es beneficien de la propietat d'efecte camp del grafè per implementar una amplificació local de senyals neuronals", afegeix Guimerà. L'activitat elèctrica del cervell modula així la conductivitat del material bidimensional i permet el registre de l'activitat cerebral.

El grafè, el desenvolupament del qual es va començar a estudiar fa poc més d'una dècada, capacita així unes interfícies amb menys restriccions en la miniaturització i la resolució dels senyals cerebrals. A més, mitjançant tècniques de multiplexació (combinar dos o més senyals i transmetre'ls per un sol mitjà), facilita l'augment dels canals de registre sense incrementar el nombre de connexions i simplifica el seu maneig.

L'adquisició d'aquests senyals es basa en circuits integrats o xips dissenyats a l'IMB, cosa que permet processar el gran volum d'informació que s'extreu de l'activitat cerebral. Gràcies a la biocompatibilitat i l'estabilitat electroquímica que ofereix, el transistor registra una àmplia gamma de freqüències, incloses les ultralentes, amb la mateixa fidelitat que les micropipetes de vidre, superant les seves limitacions d'ús i permetent, per primera vegada, el registre d'aquests senyals en múltiples punts del cervell i de manera simultània. Aquest fet facilita l'estudi dels senyals ultralents en el funcionament del cervell i les patologies", explica l'investigador de l'IMB. "La meta és superar lʻestàndard actual", afegeix.

Desenvolupament públic-privat

Més d'un terç de la població europea pateix algun tipus de malaltia cerebral, amb un cost social i sanitari alt. És necessari desenvolupar noves eines de diagnòstic i teràpies més eficients. Amb els implants de grafè, s'obre la possibilitat de donar resposta terapèutica adaptada a la condició clínica de cada pacient.

La creació d'Inbrain i el seu desenvolupament tecnològic actual constitueix un èxit de la transferència del coneixement del CSIC, que ha gestionat el transvasament de la tecnologia per valoritzar-la. La identificació, protecció i llicència de la tecnologia s'ha dut a terme a través del personal tècnic especialitzat en transferència de diverses institucions, entre les quals hi ha el CSIC i l'ICN2. En investigació, és un esforç conjunt dels dos centres. D'una banda, l'equip de l'IMB i el CIBER s'encarrega de la part tecnològica i electrònica d'integració del sistema, de la caracterització i el disseny del xip –que encaixin tots els elements–; mentre que l'ICN2 es responsabilitza del coneixement bàsic del material i la seva síntesi –proporciona els elements.