Primera integración de un espectrómetro de resonancia magnética nuclear de sobremesa a una plataforma de cultivo celular microfluídico

El análisis metabólico de células vivas in vitro es fundamental para comprender la fisiología celular, los mecanismos de las enfermedades y las respuestas a los tratamientos. Los métodos tradicionales para el seguimiento del metabolismo suelen apoyarse en ensayos no integrados al proceso experimental o en instrumentos sofisticados de alto campo, que son costosos y requieren grandes volúmenes de muestra. La espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), con su capacidad inigualable para diferenciar especies químicas de forma no invasiva, ha prometido durante mucho tiempo una amplia comprensión de los procesos bioquímicos, pero su baja sensibilidad inherente ha limitado su uso en contextos a microescala. Este desafío es especialmente significativo en plataformas microfluídicas, donde los volúmenes de muestra son mínimos y los procesos metabólicos evolucionan dinámicamente.

Unos investigadores han desarrollado la primera integración de un espectrómetro de resonancia magnética nuclear (RMN) de sobremesa en una plataforma de cultivo celular microfluídico.

El logro es obra de un equipo encabezado por Marc Azagra, del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC).

El sistema completo consta de un espectrómetro de RMN de sobremesa adaptado para la disolución de Polarización Nuclear Dinámica (dDNP), una técnica de hiperpolarización que potencia la polarización de espín nuclear mucho más allá del equilibrio térmico, incrementando la intensidad de la señal de RMN en varios órdenes de magnitud. Aprovechando esta mejora, los autores del trabajo de investigación y desarrollo pudieron superar las limitaciones clásicas de sensibilidad del hardware compacto de RMN y detectar cambios metabólicos en tiempo real en cultivos celulares que fluyen a través de dispositivos microfluídicos personalizados.

El espectrómetro RMN de sobremesa con el que han trabajado los investigadores. (Foto: IBEC)

La integración del RMN de sobremesa con microfluídica implicó una ingeniería cuidadosa del sistema de detección y el manejo de fluidos, permitiendo observar metabolitos hiperpolarizados introducidos en el entorno de cultivo celular mientras eran absorbidos y transformados por las células. Este enfoque proporciona datos cinéticos sobre reacciones metabólicas sin interrumpir el cultivo ni requerir grandes poblaciones celulares, una ventaja clave para estudios de muestras biológicas raras o valiosas. Los investigadores demostraron que era posible observar continuamente las conversiones metabólicas cruciales, lo que ofrecía una visión detallada del estado bioquímico de las células estudiadas.

Los resultados obtenidos por el equipo suponen un hito para la metabolómica en un chip: una plataforma compacta y rentable de RMN capaz de permitir la observación directa de flujos metabólicos dinámicos en sistemas microfluídicos. Aprovechando la hiperpolarización, la tecnología cierra la brecha entre el rendimiento en RMN de alto campo y las necesidades prácticas del análisis de laboratorio en chip, tal como destaca Marc Azagra.

De cara al futuro, esta investigación abre perspectivas prometedoras para una amplia gama de aplicaciones en ciencias de la vida, descubrimiento de fármacos y medicina de precisión. La capacidad de rastrear vías metabólicas en tiempo real en plataformas miniaturizadas podría transformar la forma en que se diseñan e interpretan los experimentos, permitiendo estudios longitudinales de respuestas celulares, cribado de alto rendimiento de moduladores metabólicos e integración con otros módulos de laboratorio en chip, como tejidos que mimetizan órganos.

A medida que la tecnología de RMN de laboratorio sigue madurando, su combinación con microfluídica e hiperpolarización podría convertirse en una herramienta crucial para el análisis biológico dinámico, aportando información espectroscópica rica directamente a la escala de microambientes celulares, tal como señala Irene Marco-Rius, del IBEC y coautora del trabajo de investigación y desarrollo.

Azagra y sus colegas exponen los detalles técnicos de su sistema combinado en la revista académica Analytical Chemistry, bajo el título “Lab-on-a-Chip Metabolic Analysis Using Benchtop NMR Technology”. (Fuente: IBEC)