Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé un nouvel outil puissant qui surveille l'activité électrique à l'intérieur des cellules cardiaques, en utilisant de minuscules capteurs "pop-up" qui pénètrent dans les cellules sans les endommager. L'appareil mesure directement le mouvement et la vitesse des signaux électriques circulant dans une seule cellule cardiaque - une première - ainsi qu'entre plusieurs cellules cardiaques. C'est aussi le premier à mesurer ces signaux à l'intérieur des cellules des tissus 3D.

L'appareil, publié le 23 décembre dans la revue Nature Nanotechnology , pourrait permettre aux scientifiques d'obtenir des informations plus détaillées sur les troubles cardiaques et les maladies telles que l'arythmie (rythme cardiaque anormal), la crise cardiaque et la fibrose cardiaque (rigidification ou épaississement du tissu cardiaque).

« Étudier comment un signal électrique se propage entre différentes cellules est important pour comprendre le mécanisme de la fonction cellulaire et de la maladie », a déclaré le premier auteur Yue Gu, qui a récemment obtenu son doctorat. en science et génie des matériaux à l'UC San Diego. "Des irrégularités dans ce signal peuvent être un signe d'arythmie, par exemple. Si le signal ne peut pas se propager correctement d'une partie du cœur à une autre, alors une partie du cœur ne peut pas recevoir le signal et ne peut donc pas se contracter."

"Avec cet appareil, nous pouvons zoomer au niveau cellulaire et obtenir une image à très haute résolution de ce qui se passe dans le cœur ; nous pouvons voir quelles cellules fonctionnent mal, quelles parties ne sont pas synchronisées avec les autres et localiser où le signal est faible », a déclaré l'auteur principal Sheng Xu, professeur de nano-ingénierie à la UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Ces informations pourraient être utilisées pour aider à informer les cliniciens et leur permettre de faire de meilleurs diagnostics."

Le dispositif se compose d'un réseau 3D de transistors à effet de champ microscopiques, ou FET, qui ont la forme de pointes pointues. Ces minuscules FET traversent les membranes cellulaires sans les endommager et sont suffisamment sensibles pour détecter des signaux électriques, même très faibles, directement à l'intérieur des cellules. Pour éviter d'être considérés comme une substance étrangère et de rester à l'intérieur des cellules pendant de longues périodes, les FET sont recouverts d'une bicouche phospholipidique. Les FET peuvent surveiller les signaux de plusieurs cellules en même temps. Ils peuvent même surveiller les signaux sur deux sites différents à l'intérieur de la même cellule.

"C'est ce qui rend cet appareil unique", a déclaré Gu. "Il peut faire pénétrer deux capteurs FET à l'intérieur d'une cellule - avec une invasion minimale - et nous permettre de voir dans quel sens un signal se propage et à quelle vitesse il va. Ces informations détaillées sur le transport du signal dans une seule cellule étaient jusqu'à présent inconnues. "

Pour construire l'appareil, l'équipe a d'abord fabriqué les FET sous forme de formes 2D, puis a collé des points sélectionnés de ces formes sur une feuille d'élastomère pré-étirée. Les chercheurs ont ensuite desserré la feuille d'élastomère, provoquant le flambage de l'appareil et le pliage des FET en une structure 3D afin qu'ils puissent pénétrer à l'intérieur des cellules.

"C'est comme un livre pop-up", a déclaré Gu. "Cela commence comme une structure 2D, et avec la force de compression, il apparaît à certains endroits et devient une structure 3D."

L'équipe a testé l'appareil sur des cultures de cellules musculaires cardiaques et sur des tissus cardiaques conçus en laboratoire. Les expériences consistaient à placer la culture cellulaire ou le tissu sur le dessus de l'appareil, puis à surveiller les signaux électriques captés par les capteurs FET. En voyant quels capteurs ont d'abord détecté un signal, puis en mesurant le temps qu'il a fallu aux autres capteurs pour détecter le signal, l'équipe a pu déterminer dans quelle direction le signal se déplaçait et sa vitesse. Les chercheurs ont pu le faire pour les signaux voyageant entre des cellules voisines et, pour la première fois, pour les signaux voyageant dans une seule cellule du muscle cardiaque.

Ce qui rend cela encore plus excitant, a déclaré Xu, c'est que c'est la première fois que les scientifiques ont pu mesurer des signaux intracellulaires dans des constructions tissulaires 3D. "Jusqu'à présent, seuls les signaux extracellulaires, c'est-à-dire les signaux situés à l'extérieur de la membrane cellulaire, ont été mesurés dans ces types de tissus. Désormais, nous pouvons réellement capter des signaux à l'intérieur des cellules qui sont intégrées dans le tissu 3D ou l'organoïde", a-t-il ajouté. dit.

Les expériences de l'équipe ont conduit à une observation intéressante :les signaux à l'intérieur des cellules cardiaques individuelles voyagent presque cinq fois plus vite que les signaux entre plusieurs cellules cardiaques. L'étude de ces types de détails pourrait révéler des informations sur les anomalies cardiaques au niveau cellulaire, a déclaré Gu. « Supposons que vous mesuriez la vitesse du signal dans une cellule et la vitesse du signal entre deux cellules. S'il y a une très grande différence entre ces deux vitesses, c'est-à-dire si la vitesse intercellulaire est beaucoup, beaucoup plus petite que la vitesse intracellulaire, alors il est probable que quelque chose ne va pas à la jonction entre les cellules, peut-être à cause de la fibrose", a-t-il expliqué.

Les biologistes pourraient également utiliser cet appareil pour étudier le transport du signal entre différents organites dans une cellule, a ajouté Gu. Un appareil comme celui-ci pourrait également être utilisé pour tester de nouveaux médicaments et voir comment ils affectent les cellules et les tissus cardiaques.

L'appareil serait également utile pour étudier l'activité électrique à l'intérieur des neurones. C'est une direction que l'équipe cherche à explorer ensuite. En fin de compte, les chercheurs prévoient d'utiliser leur appareil pour enregistrer l'activité électrique dans de vrais tissus biologiques in vivo. Xu envisage un dispositif implantable qui peut être placé à la surface d'un cœur battant ou à la surface du cortex. Mais l'appareil est encore loin de ce stade. Pour y arriver, les chercheurs ont encore du travail à faire, notamment affiner la disposition des capteurs FET, optimiser la taille et les matériaux du réseau FET et intégrer des algorithmes de traitement du signal assisté par l'IA dans l'appareil. + Explorer plus loin

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