Les cellules animales peuvent utiliser des éléments ou des ions pour générer des impulsions électriques. Ces impulsions sont ensuite transmises d'une cellule à l'autre, voyageant à travers les réseaux cellulaires.

La capacité d'enregistrer avec précision les signaux électriques échangés par les cellules pourrait aider la recherche et améliorer les pratiques dans de nombreux domaines liés à la santé, notamment la cardiologie et la neurologie. La plupart des technologies existantes, cependant, sont limitées à la fois dans leur précision de détection et leur évolutivité.

Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont récemment développé un dispositif de détection très sensible qui pourrait être utilisé pour enregistrer les signaux électriques des cellules avec une plus grande précision. Cet appareil, présenté dans un article publié dans Nature Nanotechnology , est composé de plusieurs capteurs, qui peuvent mesurer collectivement la propagation des signaux électriques échangés par différentes cellules ou à l'intérieur de cellules individuelles.

L'étude récente a été dirigée par le Dr Yue Gu alors qu'il travaillait dans le laboratoire du professeur Sheng Xu à l'UC San Diego. Le Dr Gu est maintenant associé postdoctoral à l'Université de Yale.

"La mise en place de notre structure 3D, également appelée architecture 'pop-up', repose sur une méthode unique, la technique de flambage compressif que j'ai développée lors de mes études postdoctorales en 2015", a déclaré le professeur Xu, l'un des auteurs de le document récent, a déclaré à Phys.org. "La technique de flambage par compression tire parti des techniques de microfabrication conventionnelles et polyvalentes en salle blanche pour générer des structures 3D sophistiquées."

Les structures « pop-up » 3D utilisées par le professeur Xu et ses collègues peuvent être construites à l'aide d'une large gamme de matériaux compatibles avec les techniques de microfabrication. Les matériaux qui les composent peuvent à leur tour déterminer leur fonction, qui peut être l'atténuation des ondes électromagnétiques, les vibrations mécaniques, la détection de la pression et de la contrainte ou la détection des signaux électriques.

Dans leur étude, les chercheurs ont entrepris de construire ces structures 3D afin qu'elles puissent être utilisées pour enregistrer avec précision les signaux électriques générés et échangés par les cellules. Leur principal objectif était de tirer parti efficacement de la polyvalence de la technique de flambage par compression pour créer un appareil capable de collecter des enregistrements intra- et intercellulaires précis.

"L'intégration de matériaux semi-conducteurs et de transistors d'ingénierie dans cette architecture pop-up étend l'application de la technique", a expliqué le professeur Xu. "Notre détermination à appliquer cette structure aux cellules, en particulier aux cellules du muscle cardiaque, a été suscitée par des discussions que le Dr Gu et moi avons eues avec des cardiologues et des neurologues en 2015, qui se plaignaient des difficultés d'enregistrement des signaux intracellulaires à l'aide des outils existants, tels que comme le patch-clamp, qui est l'étalon-or pour l'enregistrement des signaux électriques cellulaires."

Après avoir pris connaissance des défis auxquels les chercheurs médicaux étaient confrontés lorsqu'ils tentaient de collecter des enregistrements précis de signaux électriques cellulaires, le Dr Xu et le Dr Gu ont commencé à expérimenter des approches d'ingénierie uniques qui pourraient simplifier leur travail. En fin de compte, cela a conduit au développement du nouveau réseau de capteurs présenté dans leur récent article.

"Un autre objectif de notre étude était la mise en œuvre de capteurs intracellulaires dans des tissus cardiaques modifiés en 3D", a déclaré le professeur Xu. "Il est bien connu que les propriétés électrophysiologiques des cellules varient lorsqu'elles se trouvent dans des animaux vivants, isolées des animaux vivants et cultivées dans des boîtes. L'enregistrement des signaux in vivo est toujours l'étape la plus importante et pourtant la plus difficile."

Le professeur Xu et ses collègues ont été les premiers à collecter des enregistrements intracellulaires précis de cellules dans le tissu cardiaque modifié. Leur étude pourrait ainsi constituer un premier pas vers la collecte d'enregistrements cellulaires in vivo fiables.

"Le potentiel de membrane cellulaire polarisant la borne de grille des transistors individuels entraîne une modification du courant du drain à la borne de source des transistors", a expliqué le professeur Xu. "Par conséquent, les fluctuations de courant reflètent les potentiels de membrane momentanés. Les multiples transistors du réseau que nous avons développé peuvent enregistrer simultanément des signaux provenant de différentes positions d'une cellule ou de différentes cellules."

Pour surveiller les comportements de propagation des signaux à l'intérieur et entre les cellules, le dispositif des chercheurs séquence les signaux captés par ses nombreux transistors. Contrairement à d'autres méthodes proposées précédemment pour collecter des enregistrements cellulaires, le nouveau dispositif est capable de surveiller plusieurs cellules simultanément. De plus, ses transistors peuvent conserver intacts les potentiels de membrane cellulaire de pleine amplitude, sans souffrir des atténuations ou des impédances associées au processus par lequel il accède aux cellules.

"Les surfaces de transistors fonctionnalisées par des matériaux bicouches phospholipidiques peuvent également camoufler les transistors inorganiques en cellules, ce qui facilite grandement leur insertion dans le corps cellulaire", a expliqué le professeur Xu. "Dans de telles conditions, l'internalisation est décrite comme un processus de fusion spontanée, qui laisse peu ou pas d'invasion à la cellule."

Le dispositif de détection développé par le professeur Xu et ses collègues peut également surveiller la vitesse de conduction du signal électrique à l'intérieur d'un cardiomyocyte. Cette mesure peut être d'une importance vitale pour le travail des cardiologues, car la comparer à la vitesse de conduction entre les cellules voisines peut aider à la détection et à la compréhension de certaines maladies cardiaques, y compris la fibrose cardiaque.

"Dans le cadre de notre étude, nous avons déployé le réseau de transistors dans le tissu cardiaque 3D et enregistré pour la première fois les signaux électriques intracellulaires de cellules individuelles", a déclaré Xu. "Dans le processus, nous avons également enregistré la conduction des signaux électriques et calculé leur vitesse."

Jusqu'à présent, les chercheurs ont principalement testé leur dispositif de détection à transistor sur du tissu cardiaque, obtenant des résultats très prometteurs. Leurs premières découvertes suggèrent qu'il pourrait éventuellement être utilisé pour recueillir des enregistrements précis des signaux électriques produits et échangés par les cellules, à la fois en laboratoire et in vivo, sur le cerveau ou le cœur d'animaux vivants ou de patients humains.

"Nous poursuivons maintenant plusieurs nouveaux objectifs", a ajouté Xu. « La première consiste à utiliser nos transistors pour effectuer des tests in vivo sur des cœurs ou des cerveaux intacts. La seconde consiste à enregistrer les activités intracellulaires des neurones à différentes localisations neuronales. Enfin, comme certaines cellules endocrines sont également électrogéniques, c'est-à-dire que leurs activités électriques sont liés à d'autres événements physiologiques, ils présentent également un grand intérêt." + Explorer plus loin

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