Des chercheurs de l'EPFL et de l'Université de Berne ont développé une méthode révolutionnaire pour étudier les signaux électriques des cellules du muscle cardiaque. La technologie a de nombreuses applications potentielles dans la recherche fondamentale et appliquée, comme l'amélioration de la recherche de mécanismes sous-jacents aux arythmies cardiaques.

Les cellules sont les plus petites unités vivantes du corps humain. Les cellules excitables telles que les neurones et les cellules du muscle cardiaque (cardiomyocytes) utilisent des signaux électriques, soi-disant potentiels d'action, de communiquer entre eux. Les scientifiques étudient ces signaux sous-jacents au fonctionnement normal du cerveau et du cœur à l'aide d'électrodes placées à l'extérieur ou à l'intérieur de la membrane cellulaire, méthodes connues sous le nom d'enregistrement extracellulaire et intracellulaire.

Chercheurs du Laboratoire de microsystèmes 4 (LMIS4) de l'EPFL, dirigé par Philippe Renaud, et le Laboratoire d'Optique Cellulaire II de l'Université de Berne, dirigé par Stéphane Rohr, se sont associés pour développer une nouvelle microélectrode qui pénètre la membrane cellulaire sans aide et, lorsqu'il est placé dans un tableau, permet aux scientifiques de suivre l'activité électrique au fur et à mesure qu'elle se propage dans les tissus. Les résultats des chercheurs ont été publiés dans Lettres nano .

Technologie de pointe

Alors que les systèmes d'enregistrement de l'activité électrique cellulaire ont considérablement évolué au fil des ans, ils ont encore des limites. Les réseaux multiélectrodes extracellulaires non invasifs qui utilisent des électrodes placées à l'extérieur de la membrane signalent des signaux qui ne sont qu'indirectement liés aux potentiels d'action. Ils en disent peu aux scientifiques sur la forme réelle du potentiel d'action - une augmentation transitoire du potentiel membranaire des cellules - qui fait battre le cœur, par exemple.

Depuis que les potentiels d'action cellulaire ont été mesurés pour la première fois par Silvio Weidmann du Département de physiologie de l'Université de Berne il y a sept décennies, les scientifiques ont mesuré ces signaux en obtenant un accès intracellulaire avec des microélectrodes. Ces électrodes peuvent être empalées dans les cellules, ou ils peuvent être placés sur la membrane cellulaire, après quoi la membrane est ouverte sous l'embouchure de l'électrode. Cela peut être fait soit mécaniquement, soit par électroporation, c'est-à-dire l'application d'impulsions à haute tension à l'électrode. Cette dernière technique a été récemment utilisée pour obtenir un accès intracellulaire par des électrodes nanostructurées en forme de champignons microscopiques, par exemple. Cependant, cette méthodologie n'est pas idéale car l'interface entre la membrane cellulaire et la nanostructure est instable, ne laissant qu'une brève fenêtre - généralement quelques secondes ou minutes au plus - aux scientifiques pour enregistrer les potentiels d'action des cellules.

Inspiré par la nature

L'équipe de l'EPFL et de l'Université de Berne a pris les meilleures caractéristiques des technologies existantes et a proposé une conception ingénieuse en forme de volcan pour contourner ce problème. « En retravaillant la géométrie et les matériaux, nous avons développé une électrode qui pénètre la membrane cellulaire sans assistance, éliminant ainsi le besoin d'électroporation, " dit Benoît Desbiolles, assistant-doctorant au LMIS4 et auteur principal de la publication. « Nous nous sommes également appuyés sur des recherches antérieures de notre laboratoire, ce qui montre que l'imitation de la membrane cellulaire stabilise l'interface cellule-électrode."

Le nouveau type d'électrode, inventé comme un nanovolcan, se compose de trois parties. Le premier est le bord du cratère. Il se compose d'un anneau d'or ayant la même taille et étant tapissé des mêmes biomolécules que la membrane cellulaire elle-même. À l'intérieur du cratère se trouve une électrode de platine utilisée pour capter les signaux électriques. L'extérieur est entouré de verre isolant. "Une fois que vous placez une cellule sur la structure et qu'elle commence à se coucher, les arêtes vives percent la membrane et l'électrode pénètre dans la cellule, " explique Desbiolles. " Au lieu de réformer, la membrane s'ancre à l'anneau d'or, créant les conditions idéales pour enregistrer l'activité électrique de la cellule."

Des candidatures prometteuses

En utilisant des réseaux de nanovolcans, les scientifiques peuvent mesurer simultanément les potentiels d'action à plusieurs endroits dans une culture cellulaire, fournissant une mine d'informations sur la façon dont les cellules du muscle cardiaque interagissent dans l'espace.

"Pour les électrophysiologistes comme moi, cette technologie est en quelque sorte un rêve devenu réalité, " dit Stéphane Rohr, qui a co-écrit la publication. "En plus de mesurer le potentiel d'action de cellules individuelles, nous pouvons maintenant étudier comment les potentiels d'action de propagation changent de forme en fonction de la structure tissulaire et des conditions pathologiques. Cette connaissance est vitale pour une meilleure compréhension des mécanismes conduisant à des arythmies cardiaques potentiellement mortelles."

Les nanovolcans ont des applications potentielles bien au-delà de l'électrophysiologie cardiaque. "Outre sa conception révolutionnaire, notre électrode est également extrêmement simple à réaliser, " explique Desbiolles. Des tests sont actuellement en cours pour voir si cela fonctionne aussi bien avec les neurones et d'autres types de cellules excitables. Selon le jeune chercheur, la conception est prometteuse pour d'autres disciplines scientifiques, aussi :"Les nanovolcans ouvrent une porte dans la cellule. Vous pourriez éventuellement effectuer de l'électrochimie à l'intérieur." La technologie pourrait également plaire à l'industrie pharmaceutique, permettant aux scientifiques de tester comment les cellules réagissent aux médicaments et, à long terme, développer des thérapies ciblées.