Des chercheurs du MIT Media Lab ont conçu une antenne miniature qui peut fonctionner sans fil à l'intérieur d'une cellule vivante, ouvrant des possibilités de diagnostic et de traitement médicaux et d'autres processus scientifiques en raison du potentiel de l'antenne pour surveiller et même diriger l'activité cellulaire en temps réel.

"L'aspect le plus excitant de cette recherche est que nous sommes capables de créer des cyborgs à l'échelle cellulaire", déclare Deblina Sarkar, professeure adjointe et chaire de développement de carrière AT&T au MIT Media Lab et responsable du Nano-Cybernetic Biotrek Lab. "Nous sommes capables de fusionner la polyvalence des technologies de l'information au niveau des cellules, les éléments constitutifs de la biologie."

Un article décrivant la recherche a été publié aujourd'hui dans la revue Nature Communications .

La technologie, baptisée Cell Rover par les chercheurs, représente la première démonstration d'une antenne pouvant fonctionner à l'intérieur d'une cellule et compatible avec les systèmes biologiques 3D. Les interfaces bioélectroniques typiques, dit Sarkar, mesurent des millimètres, voire des centimètres, et sont non seulement très invasives, mais ne fournissent pas non plus la résolution nécessaire pour interagir sans fil avec des cellules individuelles, d'autant plus que les modifications d'une seule cellule peuvent affecter tout un organisme.

L'antenne développée par l'équipe de Sarkar est beaucoup plus petite qu'une cellule. En fait, dans les recherches de l'équipe sur les ovocytes, l'antenne représentait moins de 0,05 % du volume cellulaire, ce qui la place bien en deçà d'une taille susceptible d'empiéter sur la cellule et de l'endommager.

Trouver un moyen de construire une antenne de cette taille pour fonctionner à l'intérieur d'une cellule était un défi majeur.

En effet, les antennes conventionnelles doivent avoir une taille comparable à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques qu'elles transmettent et reçoivent. Ces longueurs d'onde sont très grandes - elles représentent la vitesse de la lumière divisée par la fréquence de l'onde. Dans le même temps, augmenter la fréquence afin de réduire ce rapport et la taille de l'antenne est contre-productif car les hautes fréquences produisent de la chaleur dommageable pour les tissus vivants.

L'antenne développée par les chercheurs du Media Lab convertit les ondes électromagnétiques en ondes acoustiques, dont les longueurs d'onde sont cinq ordres de grandeur plus petites (représentant la vitesse du son divisée par la fréquence de l'onde) que celles des ondes électromagnétiques.

Cette conversion des ondes électromagnétiques en ondes acoustiques est réalisée en fabriquant les antennes miniatures à l'aide d'un matériau appelé magnétostrictif. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué à l'antenne, l'alimentant et l'activant, les domaines magnétiques dans le matériau magnétostrictif s'alignent sur le champ, créant une tension dans le matériau, la façon dont les morceaux de métal tissés dans un morceau de tissu pourraient réagir à un aimant puissant, provoquant le tissu à contorsionner.

Lorsqu'un champ magnétique alternatif est appliqué à l'antenne, la déformation et la contrainte (pression) variables produites dans le matériau sont ce qui crée les ondes acoustiques dans l'antenne, explique Baju Joy, étudiant au laboratoire de Sarkar et auteur principal de ce travail. "Nous avons également développé une nouvelle stratégie utilisant un champ magnétique non uniforme pour introduire les rovers dans les cellules", ajoute Joy.

Configurée de cette manière, l'antenne pourrait être utilisée pour explorer les principes fondamentaux de la biologie au fur et à mesure que les processus naturels se produisent, explique Sarkar. Au lieu de détruire les cellules pour examiner leur cytoplasme comme on le fait généralement, le Cell Rover pourrait surveiller le développement ou la division d'une cellule, détecter différents produits chimiques et biomolécules tels que des enzymes, ou des changements physiques tels que la pression cellulaire, le tout en temps réel et in vivo.

Selon les chercheurs, des matériaux tels que les polymères qui subissent des changements de masse ou de stress en réponse à des changements chimiques ou biomoléculaires - déjà utilisés dans la recherche médicale et autre - pourraient être intégrés au fonctionnement du Cell Rover. Une telle intégration pourrait fournir des informations non fournies par les techniques d'observation actuelles qui impliquent la destruction de la cellule.

Avec de telles capacités, les Cell Rovers pourraient être utiles dans la recherche sur le cancer et les maladies neurodégénératives, par exemple. Comme l'explique Sarkar, la technologie pourrait être utilisée pour détecter et surveiller les changements biochimiques et électriques associés à la maladie au cours de sa progression dans les cellules individuelles. Appliquée dans le domaine de la découverte de médicaments, la technologie pourrait éclairer les réactions des cellules vivantes à différents médicaments.

En raison de la sophistication et de l'échelle des dispositifs nanoélectroniques tels que les transistors et les commutateurs - "représentant cinq décennies de progrès considérables dans le domaine des technologies de l'information", déclare Sarkar - le Cell Rover, avec sa mini antenne, pourrait effectuer des fonctions allant jusqu'au bout à l'informatique intracellulaire et au traitement de l'information pour l'exploration autonome et la modulation de la cellule. La recherche a démontré que plusieurs Cell Rovers peuvent être engagés, même au sein d'une seule cellule, pour communiquer entre eux et à l'extérieur des cellules.

"Le Cell Rover est un concept innovant car il peut intégrer les technologies de détection, de communication et d'information à l'intérieur d'une cellule vivante", déclare Anantha P. Chandrakasan, doyen de la MIT School of Engineering et professeur Vannevar Bush de génie électrique et d'informatique. "Cela ouvre des opportunités sans précédent pour des diagnostics extrêmement précis, des thérapies et la découverte de médicaments, ainsi que la création d'une nouvelle direction à l'intersection entre la biologie et les appareils électroniques."

Les chercheurs ont nommé leur technologie d'antenne intracellulaire Cell Rover pour invoquer, comme celle d'un rover martien, sa mission d'exploration d'une nouvelle frontière.

"Vous pouvez penser au Cell Rover", dit Sarkar, "comme étant en expédition, explorant le monde intérieur de la cellule." + Explorer plus loin

Nouvelle antenne à membrane beaucoup plus petite que les antennes conventionnelles

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.