Un nanomatériau conçu par des chercheurs de Duke peut aider à réguler les niveaux de chlorure dans les cellules nerveuses qui contribuent à la douleur chronique, épilepsie, et traumatisme crânien.

Les résultats, publié en ligne le 10 décembre 2012, dans la revue Petit , ont été mis en évidence dans des cellules nerveuses individuelles ainsi que dans le cerveau de souris et de rats, et pourraient avoir des applications futures dans les dispositifs intracrâniens ou rachidiens pour aider à traiter les lésions nerveuses.

Les nanotubes de carbone sont un nanomatériau aux caractéristiques uniques, y compris la résistance mécanique et la conductivité électrique. Ces caractéristiques, avec leur petite taille, les rendent attrayants pour les chercheurs en technologie et en médecine.

Dans un monde où les ordinateurs et les smartphones rétrécissent, les nanotubes de carbone ont été exploités comme une solution pour améliorer les micropuces. Ils surpassent les puces en silicium en termes de taille et de performances, répondre à une demande de plus petit, appareils plus rapides. Pour les personnes atteintes de lésions nerveuses et de certains troubles neurologiques, les dispositifs recouverts ou entièrement constitués de nanotubes de carbone pourraient offrir une nouvelle voie pour améliorer les options de traitement.

« Les nanotubes de carbone sont très prometteurs pour un éventail d'applications, et nous commençons seulement à voir leur énorme potentiel, " a déclaré l'auteur principal Wolfgang Liedtke, MARYLAND., Doctorat, professeur agrégé de médecine et de neurobiologie à Duke. « Leurs propriétés mécaniques et électriques exceptionnelles les rendent idéales pour développer des dispositifs d'interface avec les tissus nerveux. Cependant, les mécanismes précis derrière les nanotubes de carbone et leur effet sur les neurones restent insaisissables."

Tous les nanotubes de carbone ne sont pas identiques. Jie Liu, Doctorat, George Barth Geller, professeur de chimie à l'Université Duke et auteur principal de l'étude, développé des nanotubes de carbone spécifiques d'une pureté extraordinaire. Appelés nanotubes de carbone à quelques parois, ils ont des propriétés supérieures à leurs homologues disponibles dans le commerce.

Les chercheurs de Duke ont initialement cherché à déterminer si les nanotubes de carbone avaient des effets toxiques ou néfastes sur les tissus vivants. Étudier des neurones cultivés à partir de rongeurs, représentant un "cortex cérébral dans un plat, " ils ont trouvé le contraire. L'exposition des cellules à des nanotubes de carbone semblait avoir un effet nourrissant sur les neurones, les rendant plus gros et plus forts.

"Des études antérieures ont examiné le comportement des nanotubes de carbone sur les neurones. Cependant, l'impureté dans les nanotubes a considérablement affecté les résultats. Après avoir développé des nanotubes de carbone purs à quelques parois dans notre laboratoire, nous avons découvert que les nanotubes accéléraient en fait la croissance des cellules neuronales de manière significative, " dit Liu.

Les circuits neuronaux peuvent être corrompus par un taux élevé de chlorure dans les neurones. Un certain nombre de maladies impliquent de tels dommages au circuit neuronal, y compris la douleur chronique, épilepsie, et traumatisme crânien.

De faibles niveaux de chlorure dans les neurones sont maintenus par une protéine de transport de chlorure appelée KCC2, qui fonctionne en chassant les ions chlorure hors de la cellule. Dans les neurones matures, il n'y a pas de sauvegarde pour cette fonction.

Les neurones immatures cultivés dans le laboratoire de Liedtke avaient des niveaux élevés de chlorure, mais à mesure que les cellules mûrissaient, leurs niveaux de chlorure diminuaient à mesure que KCC2 augmentait. Lorsque les neurones ont été exposés à des nanotubes de carbone, les cellules ont mûri beaucoup plus rapidement, et les niveaux de chlorure ont chuté plus rapidement. Les chercheurs ont appris que les cellules plus jeunes exposées aux nanotubes de carbone produisaient plus de protéines KCC2.

"Les nanotubes de carbone ont amélioré la régulation du chlorure dans les neurones à des niveaux normaux. Ces changements sont d'une importance énorme pour la cellule, " a déclaré Liedtke.

L'augmentation de la protéine KCC2 était également liée à une augmentation du calcium dans les neurones. L'augmentation des niveaux de calcium a activé une protéine présente dans le cerveau appelée CaMKII qui signale à un neurone de produire plus de KCC2.

Des résultats similaires ont été observés dans le cerveau de souris, comme les nanotubes de carbone ont provoqué une augmentation de l'activité du gène KCC2, suggérant que les nanotubes de carbone à quelques parois influencent la régulation des gènes de KCC2.

Ces découvertes pourraient conduire au développement d'une nouvelle génération de dispositifs d'ingénierie neuronale utilisant des nanotubes de carbone. Les dispositifs existants qui modulent la fonction des cellules nerveuses utilisent des systèmes électriques qui datent de plusieurs décennies.

"Nous espérons que les nanotubes de carbone fonctionneront aussi bien dans les nerfs blessés qu'ils l'ont fait dans notre étude sur les neurones en développement, " a poursuivi Liedtke. " L'utilisation des nanotubes de carbone n'en est qu'à ses balbutiements, et nous sommes ravis de faire partie d'un domaine en développement avec autant de potentiel."