¡Nano en tus oídos! Nanotecnología y audición

Originalmente publicado el 3 de mayo del 2018 por Bob Hamers
Traducido por Mariah Dooley; editado por Becky Rodriguez

¡Nano en tus oídos! No, no es una broma infantil de los adherentes a la nanotecnología o una amenaza de nano bots que invaden nuestros cuerpos, sino un hecho de la vida: la nanotecnología de la naturaleza juega un papel clave en nuestra capacidad de escuchar el mundo que nos rodea.

Para mí, “nano en el oído” no es solo científico, es personal. Al igual que muchos adultos, sufro de una pérdida de audición significativa y he pasado la mayor parte de mi vida tratando de lidiar con sus muchas ramificaciones. Una de las causas más comunes de la pérdida de audición en adultos está asociada con la destrucción de estereocilios, diminutas nanofibras dentro del oído interno que convierten las ondas de sonido en señales eléctricas que nuestro cerebro puede detectar. Son el micrófono de la naturaleza (o quizás más correctamente, el “nanófono” de la naturaleza).

Anatomy of Ear.png

Anatomía del oído (Imagen de Wikipedia)
Pinna– pabellón de la oreja, ossicles- osículos,ear canal- canal auditivo, ear drum- tímpano, auditory nerve- nervio auditivo, cochlea- cóclea, estachian tube- la trompa de Eustaquio

Lo que consideramos como sonido consiste de pequeñas ondas de presión en el aire, regiones donde algunas de las moléculas de aire son más densas y otras menos densas. Estas ondas de presión entran al oído, golpean el tímpano y lo hacen vibrar. Mientras tanto, otras estructuras en el oído transfieren estas vibraciones a ondas de presión en un fluido que llena un órgano especial llamado cóclea. Dentro del fluido coclear hay algunas células especiales llamadas células ciliadas. Cada célula capilar de la cóclea produce un montón de pequeñas nanofibras, llamadas estereocilios, que convierten las ondas de presión en señales eléctricas que luego viajan al cuerpo principal de las células ciliadas, y luego al nervio auditivo y nuestro cerebro.

cochlea.png

Aumentado en una sección transversal de la cóclea para mostrar los estereocilios que detectan las vibraciones del fluido coclear. (Imagen adaptada de Wikipedia y Wikimedia)
Hair cell- cellula de pello, stereocilia– esterocilios

La siguiente imagen muestra una imagen de microscopio electrónico de algunas células ciliadas y estereocilios humanos. Los estereocilios tienen diferentes longitudes que responden a diferentes frecuencias (tonos) de sonido, pero tienen un grosor de 200 nanómetros. Estos pequeños nanocilindros también son extremadamente sensibles al movimiento.

stereocelia.png

Izquierda: Escaneo microscópico electrónico que muestra células de cabello humanas y estereocilios. (Imagen de Rask-Anderson1 utilizada por cortesía de una licencia de CCA) Derecha: diagrama de estereocilia (imagen de Bob Hamers)
Calcium ion channels-canales de iones de calcio

Entonces, ¿cómo los estereocilios convierten los sonidos (ondas de presión) en señales eléctricas? Como se muestra en el diagrama anterior, incrustado en las paredes de nuestra estereocilia nanoescala, se encuentran algunas proteínas especiales que forman estructuras llamadas canales iónicos. Un canal de iones es una abertura muy especial que puede dejar que los iones específicos (como calcio, Ca2+opotasio, K+) que pasan a través de las paredes y en el interior de los estereocilios bajo ciertas condiciones.2

Cuando está en silencio, los canales iónicos están cerrados. Cuando un sonido hace que el fluido coclear se mueva, las fibras de estereocilia se doblan, provocando que se abran sus canales iónicos. Esto permite que fluyan los iones Ca2+  y K+  con carga positiva. Debido a que los iones Ca2+   y K+tienen carga positiva, su movimiento neto a lo largo de la estereocilia representa una corriente eléctrica. Cada vez que la célula capilar se dobla, deja entrar más iones positivos; estos fluyen hacia la célula capilar principal, que luego produce impulsos eléctricos que estimulan la célula nerviosa auditiva y viajan a tu cerebro.

sound to electricity

Sonido a electricidad: las ondas sonoras hacen que Stereocilia se doble, abriendo los canales iónicos que dejan entrar el ion Ca2+ y potasio (K +). Estas cargas positivas inducen un sin número de otros eventos que estimulan el nervio auditivo y, finalmente, envían señales al cerebro. (Imagen de Bob Hamers)
 No sound- no sonido, with sound- con sonido, auditory nerve and brain- nervio auditivo y cerebro, sound waves– ondas sonoras

Los estereocilios son increíblemente sensibles: incluso doblan solo un poco de nanómetros para generar una señal eléctrica. Sin embargo, la respuesta no es tan simple como uno podría pensar. Para sonidos silenciosos, la corriente aumenta con la intensidad de la onda de sonido (y la flexión de los estereocilios). Pero a medida que el sonido se hace más fuerte, llega a un punto donde los estereocilios simplemente no pueden generar más corriente. El rango de sonoridad es limitado en cual los estereocilios pueden responder tiene consecuencias importantes para el tratamiento de la pérdida de audición.

stereocilia

La Stereocilia genera corriente proporcional a la intensidad del sonido, pero solo para un rango limitado de valores de sonoridad. (Figura ligeramente adaptada por Jia et al. 20073)
Current – corriente, signal to brain- señal al cerebro, quiet– silencioso, loud-ruidoso, sound intensity- intensidad de sonido, too loud- muy ruidoso

Hay muchas causas posibles de pérdida de audición. Para algunas personas, las dificultades auditivas pueden deberse a la imposibilidad de transmitir las ondas de sonido del tímpano al líquido coclear y la estereocilia; en estos casos, varios tipos de audífonos y / o implantes cocleares pueden ser altamente efectivos y útiles.

Sin embargo, a menudo la pérdida de audición que está relacionada con el ruido y la edad proviene del daño a los estereocilios. Los estereocilios dañados no generan las señales eléctricas apropiadas, por lo que una persona tampoco puede oír. Podría pensar que simplemente amplificando la señal (usando, por ejemplo, un audífono) resolvería este problema, pero el gráfico anterior muestra por qué este enfoque frecuentemente no funciona cuando muchos estereocilios están dañados. Simplemente haciendo que las ondas de sonido sean más fuertes para agitar la pequeña cantidad de estereocilios restantes con más fuerza, esto no genera las mismas señales eléctricas que sacudir muchos estereocilios funcionales con más suavidad. Como resultado, los audífonos pueden ser muy ineficaces para esta forma de pérdida auditiva.

A medida que las personas viven más tiempo, la pérdida de audición que está relacionada con la edad se convertirá en un problema cada vez más frecuente. También es importante que las personas con audición normal reconozcan que las discapacidades asociadas con la pérdida auditiva son complejas y que las soluciones que funcionan para una persona pueden no funcionar para otra.4 Para las personas (como yo) cuyas dificultades auditivas surgen del daño a las células de cabello y sus estereocilios, hay pocas opciones probadas que sean muy efectivas.

Sin embargo, puede haber ayuda en el horizonte para casos donde las opciones de tratamiento son actualmente limitadas. Un estudio reciente descubrió que algunas células ciliadas podrían regenerarse de pérdida auditiva inducida por el ruido utilizando pequeños ARN (ácido ribonucleico) de conejillos de Indias suministrados por nanopartículas. Aunque todavía no son una solución viable para la pérdida auditiva humana, los avances científicos en biología de células madres y nanotecnología están proporcionando soluciones a muchos otros problemas sociales importantes. Por lo tanto, las estrategias para avanzar en nuestra comprensión fundamental de los materiales nanoestructurados, combinados con los avances en la tecnología médica, pueden jugar un papel importante al abordar los desafíos asociados con la pérdida de audición al permitir que las nanoestructuras dañadas, como la estereocilia, puedan regenerarse o reemplazarse.


RECURSOS EDUCATIVOS (en inglés)


REFERENCIAS

  1. Rask-Andersen, H. et al. Upsala Journal of Medical Sciences 2017122(1), 11–19. DOI: 1080/03009734.2016.1271843
  2. Rattay, F., Gebeshuber, I., & Gitter, A. The mammalian auditory hair cell: A simple electric circuit model. The Journal of the Acoustical Society of America 1998, 103(3), 1558–1565. DOI: 1121/1.421291
  3. Jia, S., Dallos, P., & He, D. Mechanoelectric Transduction of Adult Inner Hair Cells. Journal of Neuroscience 200727(5), 1006–1014. DOI: 1523/JNEUROSCI.5452-06.2007
  4. Bouton, K. Quandary of Hidden Disabilities: Conceal or Reveal? New York Times Sept 21, 2013
  5. Du, X. et al. Regeneration of Cochlear Hair Cells and Hearing Recovery through Hes1 Modulation with siRNA Nanoparticles in Adult Guinea Pigs. Molecular Therapy,online March 2018. DOI: 1016/j.ymthe.2018.03.004
  6. Li, H., et al. Generation of hair cells by stepwise differentiation of embryonic stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences 2003100(23), 13495–13500. DOI: 1073/pnas.2334503100

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