Le sujet de recherche de Tomi Laurila porte de nombreux noms originaux.

"Nanodiamant, nanocorne, nano-oignon..., " énumère le professeur de l'université Aalto, racontant les nombreuses nano-formes du carbone. Laurila utilise ces formes pour construire de nouveaux matériaux :de minuscules capteurs, seulement quelques centaines de nanomètres de diamètre, qui peuvent réaliser de grandes choses en raison de leurs caractéristiques spéciales.

Pour un, les capteurs peuvent être utilisés pour améliorer le traitement d'affections neurologiques. C'est pourquoi Laurila, Le professeur Tomi Taira de l'Université d'Helsinki et des experts du HUS (le district hospitalier d'Helsinki et d'Uusimaa) recherchent des moyens d'utiliser les capteurs pour effectuer des mesures électrochimiques de biomolécules. Les biomolécules sont par ex. neurotransmetteurs tels que le glutamate, dopamine et opioïdes, qui sont utilisées par les cellules nerveuses pour communiquer entre elles.

"La plupart des médicaments destinés au traitement des maladies neurologiques modifient la communication entre les cellules nerveuses qui repose sur les neurotransmetteurs. Si nous disposions d'informations en temps réel et individuelles sur le fonctionnement du système de neurotransmetteurs, cela faciliterait par exemple la planification de traitements précis, " explique Taira.

En raison de leur petite taille, des capteurs de carbone peuvent être prélevés directement à côté d'une cellule nerveuse, où les capteurs rapporteront quel type de neurotransmetteur la cellule émet et quel type de réaction elle induit dans d'autres cellules.

"En pratique, nous mesurons les électrons qui se déplacent dans les réactions d'oxydation et de réduction, " Laurila explique le principe de fonctionnement des capteurs.

« L'avantage des capteurs développés par Tomi et les autres est leur vitesse et leur petite taille. Les sondes utilisées dans les méthodes de mesure actuelles peuvent être comparées à des logs à l'échelle cellulaire – il est impossible de les utiliser et de se faire une idée de la dynamique du cerveau, " résume Taira.

Système de rétroaction et traces de mémoire

Pour les capteurs, le cheminement des tests in vitro menés dans des boîtes en verre et des tubes à essai aux tests in vivo et à l'utilisation clinique est long. Cependant, les chercheurs sont très motivés.

"Environ 165 millions de personnes souffrent de diverses maladies neurologiques rien qu'en Europe. Et parce qu'elles sont si chères à traiter, les maladies neurologiques représentent jusqu'à 80 % des dépenses de santé, " raconte Taira.

Tomi Laurila pense que les capteurs de carbone auront des applications dans des domaines tels que l'optogénétique. L'optogénétique est une méthode récemment développée dans laquelle une molécule sensible à la lumière est introduite dans une cellule nerveuse afin que le fonctionnement électrique de la cellule puisse ensuite être activé ou désactivé en la stimulant avec de la lumière. Il y a quelques années, un groupe de scientifiques a prouvé dans la revue scientifique La nature qu'ils avaient réussi à utiliser l'optogénétique pour activer une trace mnésique qui avait été créée précédemment en raison de l'apprentissage. En utilisant la même technique, les chercheurs ont pu démontrer qu'avec un certain type d'Alzheimer, le problème n'est pas qu'il n'y a pas de traces mémoire en cours de création, mais que le cerveau ne peut pas lire les traces.

"Donc les traces existent, et ils peuvent être activés en les boostant avec des stimuli lumineux, " explique Taira mais souligne qu'une application clinique n'est pas encore une réalité. Cependant, les applications cliniques pour d'autres conditions peuvent être plus proches. Un exemple est la maladie de Parkinson. Dans la maladie de Parkinson, la quantité de dopamine commence à diminuer dans les cellules d'une section particulière du cerveau, qui provoque les symptômes typiques tels que les tremblements, rigidité et lenteur du mouvement. Avec les capteurs, le niveau de dopamine pourrait être surveillé en temps réel.

« Une sorte de système de rétroaction pourrait y être connecté, pour qu'il réagisse en donnant un stimulus électrique ou optique aux cellules, qui à son tour libérerait plus de dopamine, " envisage Taira.

« Une autre application qui aurait une utilité clinique immédiate est le suivi de patients inconscients et comateux. Avec ces patients, le niveau de glutamate fluctue beaucoup, et trop de glutamate endommage la cellule nerveuse – une surveillance en ligne améliorerait donc considérablement leur traitement.

Atome par atome

La fabrication de capteurs de carbone n'est certainement pas un processus de production de masse; c'est un travail lent et méticuleux.

"À ce stade, les capteurs sont pratiquement construits atome par atome, " résume Tomi Laurila.

"Heureusement, nous avons nos propres experts en matériaux carbonés. Par exemple, les nanobuds du professeur Esko Kauppinen et les films de carbone du professeur Jari Koskinen aident à la fabrication des capteurs. Les matériaux à base de carbone sont principalement très compatibles avec le corps humain, mais il y a encore peu d'informations à leur sujet. C'est pourquoi une grande partie du travail consiste à passer par la caractérisation électrochimique qui a été effectuée sur différentes formes de carbone."

The sensors are being developed and tested by experts from various fields, such as chemistry, la science des matériaux, modelling, medicine and imaging. Twenty or so articles have been published on the basic properties of the materials. Maintenant, the challenge is to build them into geometries that are functional in a physiological environment. And taking measurements is not simple, Soit.

"Brain tissue is delicate and doesn't appreciate having objects being inserted in it. But if this were easy, someone would've already done it, " conclude the two.