Le fonctionnement des cellules et leur communication électrique sont des sujets qui suscitent un intérêt grandissant dans la recherche médicale. Comment décrypter ces signaux complexes sans l’enchevêtrement de fils qui caractérise la plupart des dispositifs actuels ? Une équipe de chercheurs du MIT propose une solution innovante qui pourrait bien redéfinir notre approche de la biosurveillance cellulaire.
Dans le cadre de dispositifs de bioscapteurs à haute résolution sans fil, des antennes pourraient aider les chercheurs à décoder les signaux électriques complexes émis par les cellules. La surveillance des signaux électriques dans les systèmes biologiques permet aux scientifiques de comprendre comment les cellules communiquent, ce qui peut faciliter le diagnostic et le traitement de conditions telles que l’arythmie et la maladie d’Alzheimer.
Traditionnellement, les dispositifs enregistrant les signaux électriques dans les cultures cellulaires et d’autres environnements liquides utilisent des fils pour connecter chaque électrode à son amplificateur respectif. Cette méthode restreint le nombre de sites d’enregistrement, limitant ainsi les informations recueillies. Cependant, des chercheurs du MIT ont mis au point une technique de bioscapteurs qui élimine la nécessité de ces fils. Au lieu de cela, de minuscules antennes sans fil utilisent la lumière pour détecter les signaux électriques minimes.
Comment fonctionnent ces antennes innovantes ?
Des modifications électriques minimes dans le milieu liquide environnant modifient la manière dont les antennes dispersent la lumière. En utilisant un réseau de ces petites antennes, dont chaque unité mesure un centième de la largeur d’un cheveu humain, les chercheurs peuvent mesurer les signaux échangés entre les cellules avec une résolution spatiale extrême.
Ces dispositifs, capables d’enregistrer continuellement des signaux pendant plus de 10 heures, pourraient aider les biologistes à comprendre comment les cellules communiquent en réponse à des changements dans leur environnement. À long terme, de telles découvertes scientifiques pourraient conduire à des améliorations dans le diagnostic, stimuler le développement de traitements ciblés et permettre une évaluation plus précise des nouvelles thérapies.
« Être en mesure d’enregistrer l’activité électrique des cellules avec un débit et une résolution élevés reste un véritable problème. Nous devons essayer des idées innovantes et des approches alternatives », a précisé Benoît Desbiolles, ancien postdoctorant au MIT Media Lab et auteur principal d’un article sur ces dispositifs.
Deblina Sarkar, professeur adjoint au développement de carrière AT&T au MIT Media Lab et au Centre d’ingénierie neurobiologique du MIT, ainsi que chef du Nano-Cybernetic Biotrek Lab, a ajouté : « La bioélectricité est fondamentale pour le fonctionnement des cellules et différents processus de vie. Toutefois, enregistrer ces signaux électriques avec précision s’avère difficile. Les antennes électro-scatrices organiques (OCEANs) que nous avons développées permettent d’enregistrer des signaux électriques sans fil avec une résolution spatiale micrométrique à partir de milliers de sites d’enregistrement simultanément. Cela peut créer des opportunités sans précédent pour comprendre la biologie fondamentale et le signal altéré dans les états pathologiques, ainsi que pour tester l’effet de différents traitements afin d’élaborer de nouvelles thérapies. »
De la théorie à la pratique
Les chercheurs se sont fixé comme objectif de concevoir un dispositif de bioscapteurs qui ne nécessiterait ni fils ni amplificateurs, facilitant ainsi son utilisation pour les biologistes moins versés dans les instruments électroniques. « Nous nous sommes demandé si nous pouvions créer un dispositif qui convertit les signaux électriques en lumière et utiliser ensuite un microscope optique, disponible dans chaque laboratoire de biologie, pour sonder ces signaux », a expliqué Desbiolles.
Initialement, ils ont utilisé un polymère spécial nommé PEDOT:PSS pour concevoir des transducteurs nanoscopiques qui intégraient des filaments d’or. Mais les résultats ne correspondaient pas au modèle théorique. Après avoir retiré l’or, les résultats se sont rapprochés du modèle, révélant que c’était le polymère qui réagissait aux signaux électriques.
Les antennes électro-scatrices organiques, ou OCEANs, sont constituées de PEDOT:PSS, un polymère qui attire ou repousse les ions positifs du milieu liquide environnant lorsqu’il y a une activité électrique proche. Cela modifie sa configuration chimique et sa structure électronique, changeant ainsi son indice de réfraction, qui à son tour influence la manière dont il disperse la lumière.
La fabrication des antennes
La précision avec laquelle les chercheurs peuvent fabriquer ces réseaux d’antennes dans les installations de MIT.nano est clé. Ils commencent par un substrat de verre et déposent des couches de matériaux conducteurs puis isolants, tous optiquement transparents. Ensuite, un faisceau d’ions focalisé permet de découper des centaines de trous nanométriques dans les couches supérieures du dispositif. Ce type spécifique de faisceau d’ions permet une nanofabrication à haut débit.
« Cet instrument ressemble à un stylo avec lequel on peut graver n’importe quoi avec une résolution de 10 nanomètres », a commenté un chercheur. Par l’application d’un courant électrique dans une solution contenant les précurseurs du polymère, ces derniers sont attirés dans les trous minuscules, et des antennes en forme de champignon « poussent » de bas en haut.
Légende illustration : Afin d’améliorer les techniques de biodétection susceptibles de faciliter le diagnostic et le traitement, les chercheurs du MIT ont mis au point de minuscules antennes sans fil qui utilisent la lumière pour détecter de minuscules signaux électriques dans des environnements liquides, comme le montre ce rendu. Crédits : Crédit : Marta Airaghi et Benoit Desbiolles
Article : « Organic electro-scattering antenna: Wireless and multisite probing of electrical potentials with high spatial resolution » – DOI: 10.1126/sciadv.adr8380
