Dispositivos de grafeno para la bioelectrónica celular

. José Manuel de la Cruz Sánchez

Dra. Elena del Corro García Prof. José Antonio Garrido Ariza

ICN2 ICREA- ICN2

Los avances en neurociencia son posibles gracias al desarrollo progresivo de nuevas herramientas y técnicas que ofrecen a los investigadores la capacidad de visualizar y registrar cada vez más aspectos del sistema nervioso. Entre estas herramientas, los electrodos y las matrices de microelectrodos permiten medir y estudiar directamente la actividad eléctrica producida por el cerebro y otros órganos del sistema nervioso, con gran resolución espacial y temporal. Además, los electrodos permiten establecer una comunicación bidireccional con el tejido neuronal, aplicando pulsos de estimulación eléctrica que pueden utilizarse para estudiar y explorar diferentes aspectos del cerebro o incluso para restaurar capacidades neurológicas perdidas por enfermedades o accidentes. La necesidad de materiales estables y biocompatibles, capaces de registrar la actividad eléctrica con bajo ruido e inyectar suficiente corriente para estimular el tejido neuronal, ha llevado a los investigadores a explorar nuevos materiales para fabricar electrodos diseñados para interactuar con el sistema nervioso. En este marco, hemos explorado la capacidad de diferentes materiales basados en carbono para interactuar bidireccionalmente con el tejido nervioso. En esta tesis, hemos desarrollado matrices multielectrodo de grafeno monocapa de bajo ruido y las hemos utilizado para medir la actividad eléctrica en cultivos corticales primarios. También hemos desarrollado dispositivos de grafeno monocapa transparentes y flexibles con un único macroelectrodo, que utilizamos para medir electrorretinogramas, comparándolos con el estado actual de la técnica para uso animal, utilizando un equipo de medición disponible comercialmente y clínicamente aprobado. Además, aprovechando la transparencia del grafeno monocapa, hemos desarrollado matrices de microelectrodos transparentes que nos permiten obtener información espacial del potencial corneal. En esta tesis, también presentamos la fabricación de nuevos electrodos de óxido de grafeno reducido, que nos han permitido desarrollar matrices de microelectrodos con alta capacidad de inyección de carga y bajos valores de ruido eléctrico. Hemos demostrado que estas matrices de microelectrodos son capaces de permitir el crecimiento y desarrollo de cultivos primarios sanos de hipocampo y de comunicarse bidireccionalmente con ellos, realizando mediciones y aplicando estímulos simultáneamente. Finalmente, para aprovechar la versatilidad de nuestras matrices de microelectrodos de grafeno, hemos explorado tres técnicas diferentes para guiar y controlar el crecimiento de neuronas cultivadas en nuestros dispositivos, con el objetivo de desarrollar nuevas herramientas diseñadas para estudiar diversos problemas neurocientíficos mediante neurociencia ascendente. En general, los resultados presentados en esta tesis demuestran que los electrodos de grafeno, gracias a su estabilidad, biocompatibilidad y extraordinarias capacidades eléctricas, son herramientas extremadamente valiosas para realizar estudios neurocientíficos in vitro e in vivo.

In a purely practical sense, understanding how our brain and nervous system work is one of the cornerstones to improve our quality of life. Studies show that in 2010 an estimated 180 million people were affected by brain diseases in Europe, which amounts to one third of the total population(DiLuca & Olesen, 2014), positioning brain diseases as the major health problem in developed countries. Furthermore, and to raise awareness about this issue, several studies have estimated the total cost of brain disorders, in Europe in 2010 only, in more than 800 billion euros (Gustavsson et al., 2011; Olesen et al., 2012). In addition, the huge complexity of the human brain makes brain disorders more difficult to analyze, diagnose and treat than the rest of diseases, making neuroscience research fundamental to address this issue (Morris et al., 2016). This perspective has pushed for the creation of big collaborative and multidisciplinary research projects such as the Human Brain project in Europe (Markram, 2012), the BRAIN initiative (Jorgenson et al., 2015) and the Allen Brain Atlas (Jones et al., 2009) in the USA. With these facts in mind, it is obvious that addressing the issue of brain diseases is not only an unquestionable emergency but a fascinating challenge for our society. Within this context, the field of bioelectronic therapies is gaining huge interest lately. Bioelectronics is a field of medicine in which electrical and electronic engineering solutions are used to treat different diseases; that has led, for example, to the creation of devices such as the pacemaker. The bioelectronics marked size was valued at USD 4.5 Billion in 2018 and is expected to reach USD 10 Billion by 2026 (Bioelectronics Market Size, Share, Trends, Opportunities & Forecast, n.d.). Inside the bioelectronics field, neuromodulation is the branch that deals with the alteration of neuronal activity by using electrical stimulation. The most prominent example of neuromodulation therapy nowadays is the use of Deep Brain Stimulation (DBS) to threat Parkinson’s disease. DBS therapy works by delivering electrical stimulation to the subthalamic nucleus to disrupt the anomalous electrical activity patterns that cause the motor tremors produced by Parkinson´s disease (Stoker & Greenland, 2018). Besides the treatment of Parkinson´s, DBS has been postulated as therapy for other diseases such as drug refractory epilepsy, obsessive-compulsive disorder or chronic pain (Deep Brain Stimulation - Mayo Clinic, n.d.). Apart from applications in the central nervous system, bioelectronic therapies in which the peripheral nervous system is stimulated are being consider to threat epilepsy, depression, anxiety and even Alzheimer´s disease (Groves & Brown, 2005). With all this information in mind is clear that, due to the growing cost of brain diseases, the aging population in developed countries and the favorable market projections for bioelectronic therapies and neuromodulation, there is a huge business opportunity in this market

Neural Activity Recording; Neuroscience; New Tools; Techniques; Electrodes; Microelectrode Arrays; Electrical Activity; Brain; Nervous System; Spatial Resolution; Temporal Resolution; Bidirectional Communication; Neural Tissue; Electrical Stimulation Pulses; Restore Neurological Abilities; Stable Materials; Biocompatible Materials; Low Noise; Current Injection; Carbon-Based Materials; Low-Noise Single-Layer Graphene Multielectrode Arrays; Primary Cortical Cultures; Transparent and Flexible Single-Layer Graphene Devices; Macroelectrode; Electroretinograms; Animal Use; Clinically Approved Measurement Equipment; Transparent Microelectrode Arrays; Corneal Potential; Reduced Graphene Oxide Electrodes; High Charge Injection Capacities; Low Electrical Noise Values; Primary Hippocampal Cultures; Bidirectional Communication; Measurements; Stimuli; Versatility; Neuron Growth Guidance; Neuron Growth Control; Bottom-Up Neuroscience; In Vitro Neuroscience; In Vivo Neuroscience.