La epilepsia es el cuarto trastorno neurológico más común: alrededor del 1% de la población sufre de epilepsia, y alrededor de un tercio de los afectados presentan convulsiones recurrentes. En la mayoría de los casos, las convulsiones se pueden controlar con medicamentos. Sin embargo, el tratamiento farmacológico debe establecerse para cada paciente individualmente, donde la dosificación adecuada puede tomar años para encontrar1,2. Además, la mayoría de los medicamentos tiene efectos secundarios graves que reducen la calidad de vida3,4,5,6,7. Por último, en el 30% de los casos los pacientes son resistentes a la medicación, y en el caso de un locus único generador de convulsiones, sólo la neurocirugía resectiva puede atenuar la ocurrencia de convulsiones8. Por lo tanto, una iniciativa importante en la investigación de la epilepsia moderna es descubrir nuevas estrategias que pueden prevenir las convulsiones recurrentes en pacientes en riesgo, reduciendo la necesidad de terapias farmacológicas fuertes y cirugías resectivas invasivas.
Las convulsiones epilépticas ocurren cuando hay un desequilibrio dentro de los circuitos excitatorios e inhibitorios en todo el cerebro (epilepsia generalizada) o en una parte localizada del cerebro (epilepsia focal), de tal manera que las neuronas se descargan de forma anormal9 , 10 , 11. los fármacos antiepilépticos pueden actuar de dos maneras diferentes en la prevención de convulsiones: disminución de la excitación o aumento de la inhibición12. Específicamente, pueden o bien modificar la actividad eléctrica de las células neuronales afectando a los canales de iones en la membrana celular13 o actuar sobre la transmisión química entre las neuronas al afectar el neurotransmisor inhibitorio GABA o el excitatorio glutamato en las sinapsis14,15. Para algunos medicamentos, el modo de acción es desconocido18. Además, los tratamientos farmacológico tienen un efecto continuo en los pacientes y no pueden adaptarse a la dinámica de prevalencia de las convulsiones. Idealmente, los fármacos con mecanismos específicos de acción actuarían sobre los procesos epilépticos subyacentes. Un tratamiento óptimo no tocaría el cerebro interictally pero actuaría inmediatamente cuando una convulsión empiece a desarrollarse. En contraste con eso, en todos los casos de epilepsia, la medicación ahora significa un tratamiento sistemático, afectando todo el cerebro y todo el cuerpo del paciente9.
Las convulsiones epilépticas pueden aparecer muchos años después del insulto inicial, como el trauma cerebral. El período entre el insulto inicial y la ocurrencia de las primeras convulsiones espontáneas se caracteriza por considerables reorganizaciones moleculares y celulares, incluyendo la muerte neuronal con la desaparición de las conexiones de red neuronal y axonal brotación/neosinaptogénesis con la aparición de nuevas conexiones19,20,21. Una vez que las convulsiones se vuelven recurrentes, su frecuencia y severidad tienden a aumentar, involucrando más regiones cerebrales. Es importante distinguir los sitios de aparición de convulsiones (regiones epileptogénicas) de las redes de propagación, ya que las normas de la génesis y la propagación de las convulsiones pueden diferir. Las investigaciones realizadas sobre el tejido humano y los modelos experimentales de epilepsia han proporcionado datos importantes sobre la reorganización de los circuitos y su capacidad para generar convulsiones20,21,22, 23. sin embargo, es difícil determinar si estas reorganizaciones son respuestas adaptativas o si están relacionadas causalmente con la epileptogénesis o el embargo Génesis y la propagación12.
Por lo tanto, localizar el enfoque epiléptico y la aplicación de fármacos antiepilépticos localmente son uno de los principales desafíos en la investigación de la epilepsia contemporánea. Varios experimentos con modelos animales de epilepsia y algunos estudios clínicos apuntan a encontrar la aparición de los eventos convulsivos y definir los mecanismos subyacentes en el cerebro24,25,26,27. Con este fin, desarrollamos un nuevo protocolo experimental utilizando el modelo de epilepsia inducida por 4AP28,29,30,31 en una preparación aguda del ratón, que permite la inserción precisa de tres dispositivos en el área dada del hipocampo, donde la actividad de la red in vivo se manipula de una manera altamente localizada. La inyección localizada de 4AP por una micropipeta de vidrio ayuda a inducir los SLEs epilépticos en un lugar localizado en el hipocampo, mientras que con la ayuda de la nueva sonda μFIP basada en polímeros, el control de la actividad convulsiva se logra simultáneamente registrando el actividad eléctrica con los sitios de grabación del dispositivo. La actividad de campo local hippocampal también se supervisa con una sonda de silicio multicanal de una manera específica de la capa en la corteza y en el hipocampo simultáneamente.
Las sondas μFIP recientemente inventadas funcionan mediante el uso de un campo eléctrico aplicado para empujar los fármacos cargados almacenados en un canal de microfluidos a través de una membrana de intercambio de iones (IEM) y hacia el tejido circundante (figura 1). El IEM transporta selectivamente sólo un tipo de iones (cationes o aniones) y, por lo tanto, trabaja para limitar la difusión pasiva en el estado "apagado" y el transporte de especies cargadas de forma opuesta del tejido circundante al dispositivo. El campo eléctrico se crea bajo demanda aplicando un pequeño voltaje (< 1 V) entre el electrodo de origen que es interno al canal de microfluidos y un electrodo de destino que es externo al dispositivo (en este caso, el tornillo de cabeza en el modelo animal). La tasa de entrega de fármacos es proporcional a la tensión aplicada y la corriente medida entre los electrodos de origen y de destino. La tunabilidad precisa de la administración de fármacos es una de las principales ventajas de la μFIP. Otra ventaja crítica, en comparación con los sistemas de administración de fármacos a base de fluidos o de presión, es que en el μFIP sólo hay un aumento de presión insignificante en la salida de suministro de fármacos, ya que los fármacos se entregan a través del IEM sin su solución portadora.
Hay una pequeña cantidad de fuga pasiva de GABA cuando el μFIP es "apagado", pero esto fue encontrado para no efecto SLEs. Los μFIP son hechos a medida siguiendo los métodos convencionales de microfabricación que hemos reportado anteriormente31.
Dado que una manera de prevenir las convulsiones recurrentes es el bloqueo de las descargas de la red en el principio o incluso antes del primer evento convulsivo, el método presentado para entregar el neurotransmisor inhibitorio GABA en el enfoque epiléptico tiene gran potencial terapéutico para el control de las convulsiones en pacientes con epilepsia focal. Puesto que el GABA es un sustrato endógeno, deja propiedades neuronales intrínsecas sin cambios en las concentraciones fisiológicas. La aplicación local de bajos niveles de GABA sólo afectará a las células naturalmente sensibles a la inhibición, y sólo causará efectos similares a la inhibición fisiológica, contrariamente a la estimulación cerebral profunda (DBS), que tiene acciones inespecíficas estimulando todas las células de la red neuronal en su entorno, causando una respuesta mixta que involucra tanto la excitación como la inhibición. En conclusión, el método propuesto proporciona un enfoque más específico para el control de las convulsiones que el DBS.