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Las señales bioeléctricas son factores biofísicos importantes que contribuyen a gobernar el comportamiento celular. El ejemplo más famoso es el potencial de acción en las neuronas y las células cardíacas, que transmiten señales eléctricas a largas distancias (hasta un metro) y a altas frecuencias (hasta cientos de hercios)1. Los pulsos eléctricos aplicados con electrodos se pueden utilizar para estimular el disparo del potencial de acción y son útiles en aplicaciones médicas y de investigación2. Las señales bioeléctricas endógenas en procesos fisiológicos lentos como el desarrollo, la cicatrización de heridas y la homeostasis 3,4,5,6,7,8 también se han medido 9,10 en períodos de horas a días. Un ejemplo importante son las capas epiteliales confluentes que mantienen activamente una diferencia de potencial transepitelial (TEPD) que va desde unos pocos hasta decenas de milivoltios 4,11. Un corte o herida en estas capas confluentes genera una corriente de cortocircuito, impulsada por la actividad eléctrica del tejido12,13. Se han descrito corrientes de bobinado de hasta decenas de μA/cm2 y campos eléctricos de hasta cientos de mV/mm con diferentes técnicas. Los estudios sugieren que estas señales eléctricas producen una señal direccional para que las células migren hacia los sitios de la herida o la infección que es importante para el proceso de curación 3,6,14. En general, tanto las señales eléctricas estáticas (o de variación lenta) como las de variación rápida son importantes y desencadenan diferentes respuestas celulares o tisulares.
Dentro del ámbito de las señales de variación lenta, un fenómeno importante es el proceso de migración impulsado eléctricamente denominado "galvanotaxis". Las corrientes galvánicas controladas en el plano se pueden aplicar en dispositivos microfluídicos con canales simples para imitar las corrientes de la herida mientras se investiga la migración celular en función de la densidad de corriente15,16. Se encuentra que los campos eléctricos de 0,1-1000 V/m (densidad de corriente correspondiente de 0,1-1000 A/m2) impulsan la migración celular en muchos tipos de células en este entorno in vitro 17, mientras que las vías de señalización canónicas a la quimiotaxis (migración celular guiada por gradientes químicos), como PI3K, se han implicado en la galvanotaxis 7,18. Los dispositivos microfluídicos "bare-bones" para el estudio de la galvanotaxia se pueden fabricar con técnicas estándar de litografía blanda y microfabricación19. Estos dispositivos generalmente comprenden un sustrato de polidimetil-siloxano (PDMS) de un solo canal unido a un portaobjetos de vidrio (tamaño de la sección transversal del canal: cientos de micrómetros, longitud: centímetros). Los electrodos utilizados para suministrar la corriente estática se instalan lejos de la región de la celda y se conectan con o sin puentes de sal. La conexión del puente de sal se puede realizar mediante orificios perforados a través del sustrato PDMS, conectores microfluídicos y tubos llenos de agar. El portaobjetos de vidrio simple (generalmente de 170 μm de grosor) debajo del canal también admite imágenes de células vivas de alta resolución durante los experimentos de galvanotataxis, que es una característica crucial para estudiar el proceso.
El papel de las señales eléctricas endógenas en el mantenimiento de la homeostasis tisular es mucho menos conocido que en la cicatrización de heridas. Una razón importante es la falta de herramientas apropiadas para estudiar estos efectos en tejidos intactos. El dispositivo microfluídico para galvanotaxis no es adecuado para este propósito debido a su geometría, que solo admite corrientes eléctricas en el plano. En el contexto de la homeostasis epitelial, se necesita un nuevo dispositivo para controlar y perturbar el TEPD o las corrientes fuera del plano a través de una capa epitelial confluente. Para lograr el objetivo de aplicar una densidad de corriente iónica relativamente uniforme a través de una monocapa, hemos diseñado y fabricado un dispositivo microfluídico con innovaciones en la geometría del dispositivo, el uso de materiales y las capacidades de medición biomecánica in situ 4. Esta última capacidad es importante ya que los efectos eléctricos pueden estar afectando el comportamiento celular a través del acoplamiento con vías biomecánicas y mecanobiológicas, que se pueden estudiar con esta característica.
Este nuevo dispositivo exhibe múltiples características innovadoras. Está diseñado con dos capas en lugar del canal único que se encuentra en los dispositivos de galvanotaxis (innovación en geometría), manteniendo la conexión a las cámaras de electrodos similar a la de estas últimas. La primera capa microfluídica tiene canales para dirigir las corrientes iónicas hacia (o lejos de) la región del tejido, mientras que la segunda capa tiene una abertura que dirigirá esta corriente perpendicularmente a través del epitelio que se encuentra encima de esta segunda capa microfluídica (Figura 1A, B). Las técnicas de microfabricación se utilizan para producir capas suficientemente delgadas como para que sea posible obtener imágenes confocales de alta resolución a pesar del apilamiento de capas microfluídicas que aumenta el grosor de la muestra. Para las otras innovaciones importantes, se incorpora un hidrogel sintético de poliacrilamida (PA) en el centro del dispositivo, que juega un papel crucial (Figura 1A, B). Las propiedades físico-químicas de este gel, como la química disponible para recubrir las proteínas de la matriz extracelular, la permeabilidad a los iones, así como la elasticidad conocida, son respectivamente esenciales para la unión y el crecimiento celular, la aplicación de corrientes fuera del plano y la medición del estrés mecánico20 durante la estimulación eléctrica. Las estructuras de barrera se incorporan en la Capa 1 de la región tisular para el confinamiento de la solución precursora del gel PA, como se hizo en dispositivos microfluídicos anteriores21 (Figura 1A, B). Por último, pero no menos importante, dado que la polimerización en gel de PA es inhibida por oxígeno en superficies PDMS permeables al gas oxígeno, se utiliza otro material22 para la fabricación de dispositivos, que puede permitir la polimerización y la unión estrecha del gel de PA. Todas las características innovadoras son cruciales para que el nuevo dispositivo funcione.
En general, el estudio en profundidad de las señales bioeléctricas estáticas o de variación lenta en la homeostasis de tejidos intactos es posible con este nuevo dispositivo, cuyo protocolo se detallará a continuación. El protocolo y los resultados a los que se hace referencia aquí se centran en la línea celular epitelial Madin Darby Canine Kidney II (MDCK II), incluidos los eventos celulares (proliferación, muerte, extrusión y migración) y los cambios estructurales tisulares inducidos por la corriente eléctrica. Estos estudios también son instructivos para los investigadores que estén interesados en aplicar esta técnica para estudiar la regulación eléctrica del transporte epitelial y la inducción de eventos celulares y cambios en el destino celular en capas celulares y sistemas más complejos, como células primarias y organoides 2D.