Les sondes microscopiques développées à l'Université Rice ont simplifié le processus de mesure de l'activité électrique dans les cellules individuelles de petits animaux vivants. La technique permet à un seul animal comme un ver d'être testé encore et encore et pourrait révolutionner la collecte de données pour la caractérisation des maladies et les interactions médicamenteuses.

Le laboratoire Rice de l'ingénieur électricien et informaticien Jacob Robinson a inventé des « réseaux d'électrodes suspendues à l'échelle nanométrique » – alias les nano-SPEAR – pour permettre aux chercheurs d'accéder aux signaux électrophysiologiques des cellules de petits animaux sans les blesser. Les Nano-SPEAR remplacent les électrodes de pipette en verre qui doivent être alignées à la main à chaque utilisation."

L'un des goulots d'étranglement expérimentaux dans l'étude du comportement synaptique et des maladies dégénératives qui affectent la synapse consiste à effectuer des mesures électriques au niveau de ces synapses, ", a déclaré Robinson. "Nous avons entrepris d'étudier de grands groupes d'animaux dans de nombreuses conditions différentes pour dépister des médicaments ou tester différents facteurs génétiques liés aux erreurs de signalisation au niveau de ces synapses."

La recherche est détaillée cette semaine dans Nature Nanotechnologie .

Les premiers travaux de Robinson chez Rice se sont concentrés sur la haute qualité, caractérisation électrique à haut débit de cellules individuelles. La nouvelle plateforme adapte le concept pour sonder les cellules de surface des nématodes, vers qui représentent 80 pour cent de tous les animaux sur Terre.

La plupart de ce que l'on sait sur l'activité musculaire et la transmission synaptique chez les vers provient des quelques études qui ont utilisé avec succès des pipettes en verre alignées manuellement pour mesurer l'activité électrique de cellules individuelles, dit Robinson. Cependant, cette technique de patch clamp nécessite une intervention chirurgicale longue et invasive qui pourrait affecter négativement les données recueillies auprès de petits animaux de recherche.

La plate-forme développée par l'équipe de Robinson fonctionne comme un poste de péage pour les vers itinérants. Comme chaque animal passe par un canal étroit, il est temporairement immobilisé et pressé contre une ou plusieurs nano-lances qui pénètrent dans le muscle de sa paroi corporelle et enregistrent l'activité électrique des cellules voisines. Cet animal est ensuite relâché, le suivant est capturé et mesuré, etc. Robinson a déclaré que l'appareil s'est avéré beaucoup plus rapide à utiliser que les techniques traditionnelles de mesure des cellules électrophysiologiques.

Les nano-SPEAR sont créés à l'aide de procédures de dépôt de couche mince standard et par faisceau d'électrons ou photolithographie et peuvent être fabriqués à partir de moins de 200 nanomètres à plus de 5 microns d'épaisseur, selon la taille de l'animal à tester. Parce que les nano-SPEAR peuvent être fabriqués sur du silicium ou du verre, la technique se combine facilement avec la microscopie à fluorescence, dit Robinson.

Les animaux adaptés au sondage avec un nano-SPEAR peuvent mesurer jusqu'à plusieurs millimètres, comme hydre, cousins ​​de la méduse et l'objet d'une étude à venir. Mais les nématodes connus sous le nom de Caenorhabditis elegans étaient pratiques pour plusieurs raisons :Robinson a dit, ils sont suffisamment petits pour être compatibles avec les dispositifs microfluidiques et les électrodes à nanofils. Seconde, il y en avait beaucoup dans le couloir du labo de Weiwei Zhong, collègue de Rice, qui étudie les nématodes comme transparents, des modèles facilement manipulables pour les voies de signalisation communes à tous les animaux.

"J'avais l'habitude d'éviter de mesurer l'électrophysiologie parce que la méthode conventionnelle de patch-clamp est si techniquement difficile, " dit Zhong, professeur adjoint de biochimie et de biologie cellulaire et co-auteur de l'article. "Seuls quelques étudiants diplômés ou post-doctorants peuvent le faire. Avec l'appareil de Jacob, même un étudiant de premier cycle peut mesurer l'électrophysiologie."

"Cela correspond bien au phénotypage à haut débit qu'elle fait, " a déclaré Robinson. " Elle peut maintenant corréler les phénotypes de locomotive avec l'activité des cellules musculaires. Nous pensons que cela sera utile pour étudier les maladies dégénératives centrées autour des jonctions neuromusculaires."

En réalité, les laboratoires ont commencé à le faire. "Nous utilisons maintenant cette configuration pour profiler les vers avec des modèles de maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson et rechercher des médicaments qui réduisent les symptômes, " a déclaré Zhong. "Ce ne serait pas possible en utilisant la méthode conventionnelle."

Des tests initiaux sur des modèles de C. elegans pour la sclérose latérale amyotrophique et la maladie de Parkinson ont révélé pour la première fois des différences claires dans les réponses électrophysiologiques entre les deux, les chercheurs ont rapporté. Tester l'efficacité des médicaments sera facilité par la nouvelle capacité d'étudier les petits animaux pendant de longues périodes. "Ce que nous pouvons faire, pour la première fois, c'est observer l'activité électrique sur une longue période de temps et découvrir des modèles de comportement intéressants, ", a déclaré Robinson.

Certains vers ont été étudiés jusqu'à une heure, et d'autres ont été testés sur plusieurs jours, a déclaré l'auteur principal Daniel Gonzales, un étudiant diplômé de Rice dans le laboratoire de Robinson qui a pris en charge l'élevage des nématodes à travers les dispositifs microfluidiques.

"C'était en quelque sorte plus facile que de travailler avec des cellules isolées parce que les vers sont plus gros et assez robustes, " dit Gonzales. " Avec des cellules, s'il y a trop de pression, ils meurent. S'ils heurtent un mur, ils meurent. Mais les vers sont vraiment robustes, il s'agissait donc simplement de les placer contre les électrodes et de les y maintenir."

L'équipe a construit des réseaux microfluidiques avec plusieurs canaux qui ont permis de tester de nombreux nématodes à la fois. En comparaison avec les techniques de patch-clamp qui limitent les laboratoires à l'étude d'environ un animal par heure, Robinson a déclaré que son équipe avait mesuré jusqu'à 16 nématodes par heure.

"Parce qu'il s'agit d'une technologie à base de silicium, faire des matrices et produire des chambres d'enregistrement en grand nombre devient une réelle possibilité, " il a dit.