L'oxyde nitrique est une molécule de signalisation importante dans le corps, avec un rôle dans la construction de connexions du système nerveux qui contribuent à l'apprentissage et à la mémoire. Il fonctionne également comme un messager dans les systèmes cardiovasculaire et immunitaire.

Mais il a été difficile pour les chercheurs d'étudier exactement quel est son rôle dans ces systèmes et comment il fonctionne. Parce que c'est un gaz, il n'y a eu aucun moyen pratique de le diriger vers des cellules individuelles spécifiques afin d'observer ses effets. Maintenant, une équipe de scientifiques et d'ingénieurs du MIT et d'ailleurs a trouvé un moyen de générer le gaz à des endroits précisément ciblés à l'intérieur du corps, potentiellement ouvrir de nouvelles pistes de recherche sur les effets de cette molécule essentielle.

Les résultats sont rapportés dans le journal Nature Nanotechnologie , dans un article des professeurs du MIT Polina Anikeeva, Karthish Manthiram, et Yoel Fink; étudiant diplômé Jimin Park; postdoctoral Kyoungsuk Jin; et 10 autres au MIT et à Taïwan, Japon, et Israël.

"C'est un composé très important, " dit Anikeeva. Mais comprendre les relations entre la livraison d'oxyde nitrique à des cellules particulières et des synapses, et les effets de niveau supérieur qui en résultent sur le processus d'apprentissage ont été difficiles. Jusque là, la plupart des études se sont penchées sur les effets systémiques, en éliminant les gènes responsables de la production d'enzymes que le corps utilise pour produire de l'oxyde nitrique là où il est nécessaire comme messager.

Mais cette approche, elle dit, est "une force très brute. C'est un coup dur pour le système parce que vous l'assommez non seulement d'une région spécifique, disons dans le cerveau, mais vous l'éliminez essentiellement de tout l'organisme, et cela peut avoir d'autres effets secondaires."

D'autres ont essayé d'introduire dans le corps des composés qui libèrent de l'oxyde nitrique lorsqu'ils se décomposent, qui peut produire des effets un peu plus localisés, mais ceux-ci s'étalent encore, et c'est un processus très lent et incontrôlé.

La solution de l'équipe utilise une tension électrique pour entraîner la réaction qui produit de l'oxyde nitrique. Ceci est similaire à ce qui se passe à une échelle beaucoup plus grande avec certains procédés de production électrochimique industrielle, qui sont relativement modulaires et contrôlables, permettant une synthèse chimique locale et à la demande. "Nous avons pris ce concept et dit, vous savez quoi? On peut être tellement local et tellement modulaire avec un procédé électrochimique qu'on peut même le faire au niveau de la cellule, " dit Manthiram. " Et je pense que ce qui est encore plus excitant à ce sujet, c'est que si vous utilisez le potentiel électrique, vous avez la possibilité de démarrer la production et d'arrêter la production en un clin d'œil."

La principale réalisation de l'équipe a été de trouver un moyen pour ce type de réaction contrôlée électrochimiquement d'être exploité de manière efficace et sélective à l'échelle nanométrique. Cela nécessitait de trouver un matériau catalyseur approprié qui pourrait générer de l'oxyde nitrique à partir d'un matériau précurseur bénin. Ils ont découvert que le nitrite offrait un précurseur prometteur pour la génération électrochimique d'oxyde nitrique.

"Nous avons eu l'idée de fabriquer une nanoparticule sur mesure pour catalyser la réaction, " dit Jin. Ils ont découvert que les enzymes qui catalysent la production d'oxyde nitrique dans la nature contiennent des centres fer-soufre. S'inspirant de ces enzymes, ils ont conçu un catalyseur composé de nanoparticules de sulfure de fer, qui active la réaction de production d'oxyde nitrique en présence d'un champ électrique et de nitrite. En dopant davantage ces nanoparticules avec du platine, l'équipe a pu améliorer leur efficacité électrocatalytique.

Miniaturiser la cellule électrocatalytique à l'échelle des cellules biologiques, l'équipe a créé des fibres sur mesure contenant les microélectrodes positives et négatives, qui sont revêtus des nanoparticules de sulfure de fer, et un canal microfluidique pour la délivrance de nitrite de sodium, le matériau précurseur. Lorsqu'il est implanté dans le cerveau, ces fibres dirigent le précurseur vers les neurones spécifiques. Ensuite, la réaction peut être activée à volonté électrochimiquement, à travers les électrodes dans la même fibre, produisant une explosion instantanée d'oxyde nitrique à cet endroit afin que ses effets puissent être enregistrés en temps réel.

A titre d'essai, ils ont utilisé le système dans un modèle de rongeur pour activer une région du cerveau connue pour être un centre de récompense pour la motivation et l'interaction sociale, et qui joue un rôle dans la dépendance. Ils ont montré qu'il provoquait effectivement les réponses de signalisation attendues, démontrant son efficacité.

Anikeeva dit que "ce serait une plate-forme de recherche biologique très utile, car finalement, les gens auront un moyen d'étudier le rôle de l'oxyde nitrique au niveau des cellules individuelles, dans des organismes entiers qui effectuent des tâches. » Elle souligne qu'il existe certains troubles associés à des perturbations de la voie de signalisation de l'oxyde nitrique, des études plus détaillées sur le fonctionnement de cette voie pourraient donc aider à mener à des traitements.

La méthode pourrait être généralisable, Parc dit, comme moyen de produire d'autres molécules d'intérêt biologique au sein d'un organisme. "Essentiellement, nous pouvons maintenant avoir ce moyen vraiment évolutif et miniaturisé de générer de nombreuses molécules, tant que nous trouvons le catalyseur approprié, et tant que nous trouvons un composé de départ approprié qui est également sûr. » Cette approche pour générer des molécules de signalisation in situ pourrait avoir de larges applications en biomédecine, il dit.

"L'un de nos examinateurs pour ce manuscrit a souligné que cela n'a jamais été fait - l'électrolyse dans un système biologique n'a jamais été utilisée pour contrôler la fonction biologique, " dit Anikeeva. " Alors, c'est essentiellement le début d'un domaine qui pourrait potentiellement être très utile" pour étudier des molécules pouvant être délivrées à des endroits et à des moments précis, pour des études en neurobiologie ou toute autre fonction biologique. Cette capacité à fabriquer des molécules à la demande à l'intérieur du corps pourrait être utile dans des domaines tels que l'immunologie ou la recherche sur le cancer, elle dit.

Le projet a démarré à la suite d'une conversation fortuite entre Park et Jin, qui étaient des amis travaillant dans différents domaines :neurobiologie et électrochimie. Leurs discussions informelles initiales ont abouti à une collaboration à part entière entre plusieurs départements. Mais dans le monde verrouillé d'aujourd'hui, Jin dit, de telles rencontres et conversations fortuites sont devenues moins probables. « Dans le contexte de combien le monde a changé, si c'était à cette époque où nous sommes tous séparés les uns des autres, et pas en 2018, il y a une chance que cette collaboration n'ait tout simplement jamais eu lieu."