Il s'agit d'une image SEM colorisée du réseau de nanofils. Crédit :Laboratoire d'Electronique Intégrée et Biointerfaces, UC San Diego
Une équipe dirigée par des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego a développé des nanofils capables d'enregistrer l'activité électrique des neurones dans les moindres détails. La nouvelle technologie des nanofils pourrait un jour servir de plate-forme pour cribler des médicaments pour les maladies neurologiques et pourrait permettre aux chercheurs de mieux comprendre comment des cellules individuelles communiquent dans de grands réseaux neuronaux.
"Nous développons des outils qui nous permettront d'approfondir la science du fonctionnement du cerveau, " a déclaré Shadi Dayeh, professeur de génie électrique à l'école d'ingénierie Jacobs de l'UC San Diego et chercheur principal de l'équipe.
"Nous envisageons que cette technologie de nanofils pourrait être utilisée sur des modèles de cerveau dérivés de cellules souches pour identifier les médicaments les plus efficaces pour les maladies neurologiques, " dit Anne Bang, directeur de biologie cellulaire au Conrad Prebys Center for Chemical Genomics du Sanford Burnham Medical Research Institute.
Le projet était un effort de collaboration entre les laboratoires Dayeh et Bang, neurobiologistes à l'UC San Diego, et des chercheurs de l'Université technologique de Nanyang à Singapour et des laboratoires nationaux de Sandia. Les chercheurs ont publié leurs travaux le 10 avril dans Lettres nano .
Les chercheurs peuvent découvrir des détails sur la santé d'un neurone, activité et réponse aux médicaments en mesurant les courants des canaux ioniques et les changements de son potentiel intracellulaire, ce qui est dû à la différence de concentration en ions entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. La technique de mesure de pointe est sensible aux petits changements de potentiel et fournit des lectures avec des rapports signal/bruit élevés. Cependant, cette méthode est destructrice - elle peut briser la membrane cellulaire et éventuellement tuer la cellule. Elle se limite également à analyser une seule cellule à la fois, ce qui le rend peu pratique pour l'étude de grands réseaux de neurones, c'est ainsi qu'ils sont disposés naturellement dans le corps.
« Les techniques de mesure à haute sensibilité existantes ne sont pas évolutives aux structures de type tissu 2D et 3D cultivées in vitro, " Dayeh a déclaré. "Le développement d'une technologie à l'échelle nanométrique qui peut mesurer les changements potentiels rapides et infimes dans les réseaux cellulaires neuronaux pourrait accélérer le développement de médicaments pour les maladies des systèmes nerveux central et périphérique."
Une image SEM colorisée d'un neurone (orange) interfacé avec le réseau de nanofils. Crédit :Laboratoire d'Electronique Intégrée et Biointerfaces, UC San Diego
La technologie des nanofils développée dans le laboratoire de Dayeh est non destructive et peut mesurer simultanément les changements potentiels dans plusieurs neurones, avec la sensibilité et la résolution élevées obtenues grâce à l'état de l'art actuel.
Le dispositif se compose d'un réseau de nanofils de silicium densément emballés sur une petite puce à motifs d'électrodes en nickel recouvertes de silice. Les nanofils pénètrent à l'intérieur des cellules sans les endommager et sont suffisamment sensibles pour mesurer de petits changements de potentiel d'une fraction de quelques millivolts ou de quelques millivolts. Les chercheurs ont utilisé les nanofils pour enregistrer l'activité électrique de neurones isolés de souris et dérivés de cellules souches pluripotentes induites par l'homme. Ces neurones ont survécu et ont continué à fonctionner pendant au moins six semaines tout en étant interfacés avec le réseau de nanofils in vitro .
Une autre caractéristique innovante de cette technologie est qu'elle peut isoler le signal électrique mesuré par chaque nanofil individuel. « Ceci est inhabituel dans les technologies de nanofils existantes, où plusieurs fils sont court-circuités ensemble et vous ne pouvez pas différencier le signal de chaque fil, " dit Dayeh.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont inventé une nouvelle approche de liaison de plaquettes pour fusionner les nanofils de silicium aux électrodes de nickel. Leur approche impliquait un processus appelé siliciuration, qui est une réaction qui lie deux solides (le silicium et un autre métal) ensemble sans faire fondre l'un ou l'autre des matériaux. Ce procédé empêche les électrodes de nickel de se liquéfier, écarter et court-circuiter les fils d'électrode adjacents.
La siliciuration est généralement utilisée pour établir des contacts avec des transistors, mais c'est la première fois qu'il est utilisé pour effectuer un collage de plaquettes à motifs, a dit Dayeh. "Et puisque ce processus est utilisé dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, nous pouvons intégrer des versions de ces nanofils avec l'électronique CMOS. » Le laboratoire de Dayeh détient plusieurs demandes de brevet en instance pour cette technologie.
Dayeh a noté que la technologie a besoin d'une optimisation supplémentaire pour le dépistage des médicaments sur puce. Son équipe s'efforce d'étendre l'application de la technologie au dépistage des médicaments cœur sur puce pour les maladies cardiaques et in vivo cartographie du cerveau, qui est encore dans plusieurs années en raison d'importants défis technologiques et biologiques que les chercheurs doivent surmonter. "Notre objectif ultime est de traduire cette technologie en un dispositif pouvant être implanté dans le cerveau."
