Une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon a créé une nouvelle technologie qui améliore la capacité des scientifiques à communiquer avec les cellules neurales à l'aide de la lumière. Tzahi Cohen-Karni, professeur agrégé de génie biomédical et de science et ingénierie des matériaux, a dirigé une équipe qui a synthétisé du graphène flou tridimensionnel sur un modèle de nanofil pour créer un matériau supérieur pour les cellules photothermiques stimulantes. Le graphène flou tridimensionnel (3D) à matrice NW (NT-3DFG) permet une stimulation optique à distance sans nécessiter de modification génétique et utilise des ordres de grandeur moins d'énergie que les matériaux disponibles, prévenir le stress cellulaire.

Le graphène est abondant, pas cher, et biocompatibles. Le laboratoire de Cohen-Karni travaille avec le graphène depuis plusieurs années, développer une technique de synthèse du matériau dans des topologies 3D qu'il a appelées graphène "floue". En faisant croître des flocons de graphène bidimensionnels (2D) hors du plan sur une structure de nanofil de silicium, ils sont capables de créer une structure 3D avec une absorption optique à large bande et une efficacité photothermique inégalée.

Ces propriétés le rendent idéal pour la modulation de l'électrophysiologie cellulaire utilisant la lumière par effet optocapacitif. L'effet optocapacitif modifie la capacité de la membrane cellulaire en raison des impulsions lumineuses appliquées rapidement. NT-3DFG peut être facilement fabriqué en suspension, permettant l'étude de la signalisation cellulaire au sein et entre les systèmes cellulaires 2D et 3D, comme les organoïdes à base de cellules humaines.

De tels systèmes ne sont pas seulement cruciaux pour comprendre comment les cellules se signalent et interagissent les unes avec les autres, mais détiennent également un grand potentiel pour le développement de nouveaux, interventions thérapeutiques. Exploration de ces opportunités, cependant, a été limitée par le risque de stress cellulaire que présentent les technologies de télécommande optique existantes. L'utilisation de NT-3DFG élimine ce risque en utilisant beaucoup moins d'énergie, sur une échelle de 1 à 2 ordres de grandeur en moins. Sa surface biocompatible est facile à modifier chimiquement, ce qui le rend polyvalent pour une utilisation avec différents types de cellules et environnements. En utilisant NT-3DFG, des traitements de stimulation photothermique pourraient être développés pour le recrutement moteur afin d'induire l'activation musculaire ou pourraient diriger le développement des tissus dans un système organoïde.

"Il s'agit d'un travail collaboratif exceptionnel d'experts de multiples domaines, dont les neurosciences à travers Pitt et UChicago, et la photonique et la science des matériaux à travers l'UNC et la CMU, " a déclaré Cohen-Karni. " La technologie développée nous permettra d'interagir avec des tissus modifiés ou avec des tissus nerveux ou musculaires in vivo. Cela nous permettra de contrôler et d'affecter la fonctionnalité des tissus en utilisant la lumière à distance avec une haute précision et de faibles énergies nécessaires."

Des contributions supplémentaires au projet ont été apportées par Maysam Chamanzar, professeur assistant en génie électrique et informatique. L'expertise de base de son équipe en photonique et en neurotechnologies a aidé à développer les outils indispensables pour permettre à la fois la caractérisation des nanomatériaux hybrides uniques, et à stimuler les cellules tout en enregistrant optiquement leur activité.

"L'absorption à large bande de ces nanomatériaux 3D nous a permis d'utiliser la lumière à des longueurs d'onde qui peuvent pénétrer profondément dans le tissu pour exciter à distance les cellules nerveuses. Cette méthode peut être utilisée dans toute une gamme d'applications, de la conception de thérapeutiques non invasives aux études scientifiques fondamentales, " dit Chamanzar.

Les découvertes de l'équipe sont importantes à la fois pour notre compréhension des interactions cellulaires et pour le développement de thérapies qui exploitent le potentiel des propres cellules du corps humain. Les nanostructures créées à l'aide de NT-3DFG peuvent avoir un impact majeur sur l'avenir de la biologie et de la médecine humaines.