(PhysOrg.com) -- Imaginez pouvoir laisser tomber un cure-dent sur la tête d'une personne en particulier parmi 100, 000 personnes dans un stade. Cela semble impossible, pourtant, ce degré de précision au niveau cellulaire a été démontré par des chercheurs affiliés au Johns Hopkins University Institute for NanoBioTechnology. Leur étude a été publiée en ligne en juin dans Nature Nanotechnologie .

L'équipe a utilisé des champs électriques précis comme des "pinces" pour guider et placer des nanofils d'or, chacun environ un deux centième de la taille d'une cellule, à des endroits prédéterminés, chacun sur une seule cellule. Les molécules recouvrant les surfaces des nanofils ont alors déclenché une cascade d'actions biochimiques uniquement dans la cellule où le fil a touché, sans affecter les autres cellules à proximité. Les chercheurs disent que cette technique pourrait conduire à de meilleures façons d'étudier des cellules individuelles ou même des parties de cellules, et pourrait éventuellement produire de nouvelles méthodes d'administration de médicaments.

En effet, les techniques ne reposant pas sur cette nouvelle technologie à base de nanofils ne sont pas non plus très précises, conduisant à la stimulation de plusieurs cellules, ou nécessitent des altérations biochimiques complexes des cellules.

Avec la nouvelle technique, les chercheurs peuvent, par exemple, des cellules cibles qui ont des propriétés cancéreuses (taux de division cellulaire plus élevé ou morphologie anormale), tout en épargnant leurs voisins sains.

"L'un des plus grands défis de la biologie cellulaire est la capacité de manipuler l'environnement cellulaire de la manière la plus précise possible, " a déclaré le chercheur principal Andre Levchenko, professeur agrégé de génie biomédical à la Whiting School of Engineering de Johns Hopkins. Dans les études précédentes, Levchenko a utilisé des dispositifs de laboratoire sur puce ou microfluidiques pour manipuler le comportement des cellules. Mais, il a dit, les méthodes de laboratoire sur puce ne sont pas aussi précises que les chercheurs le souhaiteraient. "Dans les puces microfluidiques, si vous modifiez l'environnement de la cellule, il affecte toutes les cellules en même temps, " il a dit.

Tel n'est pas le cas des nanofils d'or, qui sont des cylindres métalliques de quelques centaines de nanomètres ou moins de diamètre. Tout comme le spectateur sportif sans méfiance ne sentirait qu'un léger contact d'un cure-dent tombant sur la tête, la cellule ne réagit qu'aux molécules libérées par le nanofil à un endroit très précis où le fil touche la surface de la cellule.

Avec les contributions de Chia-Ling Chien, professeur de physique et d'astronomie à la Krieger School of Arts and Sciences, et Robert Cammarata, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Whiting School, l'équipe a développé des nanofils recouverts d'une molécule appelée facteur de nécrose tumorale-alpha (TNF-alpha), une substance libérée par les macrophages engloutisseurs d'agents pathogènes, communément appelés globules blancs. Dans certaines conditions cellulaires, la présence de TNF-alpha incite les cellules à activer des gènes qui aident à combattre l'infection, mais le TNF-alpha est également capable de bloquer la croissance tumorale et d'arrêter la réplication virale.

Exposition à trop de TNF-alpha, cependant, fait entrer un organisme dans un état potentiellement mortel appelé choc septique, dit Levchenko.

Heureusement, Le TNF-alpha reste en place une fois qu'il est libéré du fil à la surface de la cellule, et parce que l'effet du TNF-alpha est localisé, le tout petit peu délivré par le fil suffit à déclencher la réponse cellulaire souhaitée. La même chose se produit lorsque le TNF-alpha est excrété par un globule blanc.

En outre, le revêtement de TNF-alpha confère au nanofil une charge négative, faciliter la manoeuvre du fil via les deux champs électriques perpendiculaires du dispositif "pince", une technique développée par Donglei Fan dans le cadre de sa recherche doctorale Johns Hopkins en science et ingénierie des matériaux.

« La pince à épiler électrique a été initialement développée pour assembler, transporter et faire tourner les nanofils en solution, " a déclaré Cammarata. "Donglei a ensuite montré comment utiliser la pince à épiler pour produire des réseaux de nanofils à motifs ainsi que pour construire des nanomoteurs et des nano-oscillateurs. Ce nouveau travail avec le groupe du Dr Levchenko démontre à quel point il s'agit d'une technique extrêmement polyvalente."

Pour tester le système, l'équipe a cultivé des cellules de cancer du col de l'utérus dans une boîte. Puis, utilisant des champs électriques perpendiculaires les uns aux autres, ils ont pu zapper les nanofils dans un endroit prédéfini et les déposer à un endroit précis. "De cette façon, nous pouvons prédéterminer le chemin parcouru par les fils et livrer une charge moléculaire à une seule cellule parmi d'autres, et même à une partie spécifique de la cellule, " a déclaré Levchenko.

Au cours de cette étude, l'équipe a également établi que l'effet souhaité généré par le TNF-alpha fourni par des nanofils était similaire à celui ressenti par une cellule dans un organisme vivant.

Les membres de l'équipe envisagent de nombreuses possibilités pour cette méthode de livraison de molécules subcellulaires.

"Par exemple, il existe de nombreuses autres manières de déclencher la libération de la molécule des fils :libération photo, libération chimique, libération de la température. Par ailleurs, on pourrait attacher plusieurs molécules aux nanofils en même temps, " a déclaré Levchenko. Il a ajouté que les nanofils peuvent être beaucoup plus petits, mais a déclaré que pour cette étude, les fils étaient suffisamment gros pour être vus en microscopie optique.

Finalement, Levchenko voit les nanofils devenir un outil utile pour la recherche fondamentale.

"Avec ces fils, nous essayons d'imiter la façon dont les cellules se parlent, " Il a dit. " Ils pourraient être un outil merveilleux qui pourrait être utilisé dans la recherche fondamentale ou appliquée. " Les applications d'administration de médicaments pourraient être beaucoup plus éloignées. Cependant,

Levchenko a dit, "Si les fils conservent leur charge négative, les champs électriques pourraient être utilisés pour manipuler et manœuvrer leur position dans les tissus vivants."