Schéma de la stimulation photothermique médiée par des nanoparticules de polydopamine (PDA NP) des neurones. Nanoparticules de PDA localisées sur la membrane du neurone (figure bleue, la gauche), module l'activité neuronale par conversion photothermique de la lumière NIR (image rouge, centre). À droite :image en microscopie électronique à balayage (MEB) de neurones sur l'électrode (en médaillon : MEB à plus fort grossissement). Crédit :Srikanth Singamaneni
Les nanomatériaux ont été utilisés dans une variété d'applications émergentes, comme dans les produits pharmaceutiques ciblés ou pour renforcer d'autres matériaux et produits tels que les capteurs et les dispositifs de récupération et de stockage d'énergie. Une équipe de la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis utilise des nanoparticules comme éléments chauffants pour manipuler l'activité électrique des neurones du cerveau et des cardiomyocytes du cœur.
Les résultats, publié le 3 juillet 2021, dans Matériaux avancés , ont le potentiel d'être transposés à d'autres types de cellules excitables et constituent un outil précieux en nano-neuro-ingénierie.
Srikanth Singamaneni, un scientifique des matériaux, et Barani Raman, un ingénieur biomédical, et leurs équipes ont collaboré pour développer une technologie non invasive qui inhibe l'activité électrique des neurones à l'aide de nanoparticules de polydopamine (PDA) et de lumière proche infrarouge. Les nanoparticules de PDA chargées négativement, qui se lient sélectivement aux neurones, absorber la lumière proche infrarouge qui crée de la chaleur, qui est ensuite transféré aux neurones, inhibant leur activité électrique.
"Nous avons montré que nous pouvons inhiber l'activité de ces neurones et arrêter leur déclenchement, pas seulement allumé et éteint, mais de manière graduée, " dit Singamaneni, le professeur Lilyan &E. Lisle Hughes au Département de génie mécanique et science des matériaux. "En contrôlant l'intensité lumineuse, nous pouvons contrôler l'activité électrique des neurones. Une fois que nous avons arrêté la lumière, nous pouvons les ramener complètement sans aucun dommage."
En plus de leur capacité à convertir efficacement la lumière en chaleur, les nanoparticules de PDA sont hautement biocompatibles et biodégradables. Les nanoparticules finissent par se dégrader, ce qui en fait un outil pratique pour une utilisation future dans des expériences in vitro et in vivo.
Ramane, professeur de génie biomédical, compare le processus à l'ajout de crème à une tasse de café.
"Quand tu verses de la crème dans du café chaud, il se dissout et devient du café crémeux par le processus de diffusion, " at-il expliqué. " C'est similaire au processus qui contrôle quels ions entrent et sortent des neurones. La diffusion dépend de la température, donc si vous maîtrisez bien la chaleur, vous contrôlez le taux de diffusion à proximité des neurones. Cela aurait à son tour un impact sur l'activité électrique de la cellule. Cette étude démontre le concept que l'effet photothermique, transformer la lumière en chaleur, à proximité de neurones marqués par des nanoparticules peut être utilisé comme moyen de contrôler à distance des neurones spécifiques. »
Pour continuer l'analogie avec le café, l'équipe a conçu une mousse photothermique qui s'apparente à un morceau de sucre, formant une population dense de nanoparticules dans un emballage étanche qui agit plus rapidement que les cristaux de sucre individuels qui se dispersent, dit Raman.
"Avec tant d'entre eux emballés dans un petit volume, la mousse est plus rapide dans la transduction de la lumière en chaleur et donne un contrôle plus efficace aux seuls neurones que nous voulons, " a-t-il dit. " Vous n'avez pas besoin d'utiliser une puissance à haute intensité pour générer le même effet. "
En outre, l'équipe, qui comprend Jon Silva, professeur agrégé de génie biomédical, appliqué les nanoparticules de PDA aux cardiomyocytes, ou des cellules du muscle cardiaque. De façon intéressante, le processus photothermique a excité les cardiomyocytes, montrant que le processus peut augmenter ou diminuer l'excitabilité des cellules en fonction de leur type.
"L'excitabilité d'une cellule ou d'un tissu, qu'il s'agisse de cardiomyocytes ou de cellules musculaires, dépend dans une certaine mesure de la diffusion, " a déclaré Raman. " Alors que les cardiomyocytes ont un ensemble de règles différent, on peut s'attendre à ce que le principe qui contrôle la sensibilité à la température soit similaire."
Maintenant, l'équipe étudie comment différents types de neurones réagissent au processus de stimulation. Ils cibleront des neurones particuliers en liant sélectivement les nanoparticules pour assurer un contrôle plus sélectif.
