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Meilleure façon de câbler les cellules
Comprendre comment les cellules du cerveau et du cœur traitent et génèrent des signaux électriques pourrait conduire à une nouvelle compréhension des maladies neurologiques et cardiaques. Jusqu'à il y a quelques années, cependant, il n'était tout simplement pas possible de faire des enregistrements électriques au niveau de cellules individuelles. En 2006, des chercheurs de Harvard ont utilisé des transistors à nanofils pour mesurer des signaux électriques en 50 points le long d'un seul neurone. Aujourd'hui, le même groupe de recherche a développé un nouveau système d'enregistrement à nanofils et l'a utilisé pour capturer certains des enregistrements électriques les plus précis et de haute qualité jamais réalisés à partir de cellules cardiaques.
Signaux cellulaires : Des cellules cultivées sur un substrat en plastique flexible entouré de rouge sont positionnées sur un réseau de transistors à nanofils à l'aide d'un microscope. Les autres composants mis en évidence par des flèches colorées incluent un système de chauffage pour maintenir les cellules au chaud (bleu), des entrées électriques (rouge) et un manipulateur pour déplacer les cellules (vert).
Les travaux de Harvard, dirigés par un professeur de chimie et de chimie-biologie Charles Cher , est à la pointe de la recherche sur l'intégration des nanotechnologies et des biosciences par les nanofils, déclare Zhong Lin Wang , professeur Regents au Center for Nanostructure Characterization, à Georgia Tech.
Les dispositifs à l'échelle nanométrique qui s'interfacent électriquement avec les cellules pourraient non seulement conduire à une meilleure compréhension des origines de la maladie, mais également à de meilleures prothèses neurales et autres dispositifs médicaux.
Lieber dit que l'objectif de son laboratoire est de fabriquer des dispositifs électriques qui s'interfacent avec les tissus biologiques à une échelle biologiquement significative, en d'autres termes, à l'échelle nanométrique. Les cellules traitent les signaux électriques au fur et à mesure que ces signaux parcourent la longueur d'une cellule; le traitement électrique subcellulaire qui a lieu dans les neurones, par exemple, joue un rôle important dans l'apprentissage et la mémoire normaux et anormaux. Si l'on veut comprendre comment les signaux se propagent et pourquoi cela ne se produit pas comme il se doit dans des maladies telles que l'épilepsie ou les arythmies cardiaques, vous devez mesurer à une échelle fine, dit Lieber.
Pour créer de tels enregistrements à petite échelle, Lieber utilise des transistors constitués de fils de silicium de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. Les nanofils sont développés dans une chambre de réaction, puis alignés sur une plaquette de silicium et fournis avec des électrodes métalliques et des interconnexions. Jusqu'à présent, les chercheurs ont cultivé des cellules sur une puce afin d'interfacer des nanofils avec des cellules.
Nous avons reconnu qu'il n'est pas nécessaire de cultiver les cellules sur le substrat, explique Lieber. Au lieu de cela, dans la recherche décrite en ligne cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , le groupe Harvard cultive des cellules sur des feuilles de polymère souple. Les nanofils eux-mêmes sont respectueux des cellules, mais une plaquette de silicium rigide n'est pas l'endroit le plus propice à la croissance des tissus biologiques. En cultivant les tissus séparément sur des substrats en plastique, les chercheurs de Harvard peuvent créer de meilleurs échantillons de tissus avec lesquels travailler. De meilleurs échantillons signifient des mesures plus significatives. Et parce que les chercheurs de Harvard peuvent positionner le tissu sur les nanofils au microscope, ils peuvent choisir des zones tissulaires particulières ou des cellules particulières à partir desquelles enregistrer. Être capable de mettre en contact un groupe de cellules déjà croissant avec une matrice d'enregistrement sera également essentiel pour la fabrication de futurs implants.
L'approche modulaire est assez élégante, dit Peidong Yang , professeur de chimie à l'Université de Californie à Berkeley. Yang a utilisé des réseaux de nanofils pour étudier les effets des entrées électriques sur le développement des cellules souches.
Jusqu'à présent, le groupe de Harvard a utilisé le système modulaire pour enregistrer l'activité électrique dans les tissus cardiaques battants. Dans une expérience, dit Lieber, ils ont pu orienter le tissu sur les réseaux de nanofils pour effectuer des enregistrements détaillés des connexions électriques entre trois cellules cardiaques. Les vitesses de propagation ne sont pas uniformes et dépendent des détails de leur connectivité, dit-il. Par exemple, la connexion entre deux des cellules a montré plus de résistance électrique qu'entre les autres.
Pour comprendre ce que ces mesures biophysiques détaillées signifient en termes de santé et de maladie, il faudra en effectuer beaucoup plus et les analyser. Mais, dit Yang, les travaux de Lieber montrent qu'il est possible de réaliser des mesures complexes à haute résolution spatiale et temporelle.
Cette étude étend l'application de la nanotechnologie pour l'interfaçage cellulaire, qui est probablement l'une des applications biologiques les plus prometteuses des nanofils, ajoute Nicolas Kotov , professeur de génie chimique à l'Université du Michigan. Le développement de nanomatériaux à cette fin peut aider de nombreuses personnes atteintes de maladies dévastatrices liées à la rupture de la transmission du signal entre les cellules.
Lieber utilise maintenant le système modulaire pour faire des enregistrements à partir du tissu neural, qui est plus fragile, et il développe de nouvelles façons d'arranger les nanofils. L'une des raisons pour lesquelles ces minuscules fils peuvent établir de si bonnes connexions électriques avec les cellules est qu'une grande quantité de surface entre en contact avec les tissus environnants. En fabriquant des réseaux de nanofils avec différentes configurations, Lieber espère exposer encore plus de surfaces de fils pour l'interaction avec les cellules.
Le groupe travaille également sur des dispositifs à nanofils capables d'enregistrer simultanément des signaux électriques et chimiques. Les travaux antérieurs de Lieber ont montré que les transistors à nanofils décorés de molécules de liaison peuvent agir comme des capteurs chimiques extrêmement sensibles : leur conductivité change de manière prévisible lorsqu'ils se lient à une molécule d'intérêt, comme un neurotransmetteur. L'enregistrement simultané des effets des signaux électriques, des hormones, des neurotransmetteurs et d'autres produits chimiques donnerait une image plus intégrée des fonctions biologiques.