Les appareils portables, tels que les montres intelligentes et les trackers de fitness, interagissent avec notre corps pour mesurer des processus internes comme la fréquence cardiaque ou les phases de sommeil.
Des chercheurs du MIT ont maintenant développé des dispositifs portables capables de remplir des fonctions similaires pour les cellules individuelles du corps.
Ces dispositifs sans pile, de taille subcellulaire, sont fabriqués à partir d’un polymère souple et sont conçus pour s’enrouler délicatement autour de différentes parties des neurones, telles que les axones et les dendrites, sans endommager les cellules, lorsqu’ils sont activés sans fil par la lumière. En enveloppant précisément les processus neuronaux, ils pourraient être utilisés pour mesurer ou moduler l’activité électrique et métabolique d’un neurone à un niveau subcellulaire.
Étant donné que ces appareils sont sans fil et flottants, les chercheurs envisagent qu’un jour, des milliers de petits appareils pourraient être injectés puis activés de manière non invasive en utilisant la lumière. Les chercheurs contrôleraient précisément la façon dont les appareils s’enroulent autour des cellules en manipulant la dose de lumière provenant de l’extérieur du corps, qui pénétrerait dans les tissus et activerait les appareils.
En enveloppant les axones qui transmettent les impulsions électriques entre les neurones et vers d’autres parties du corps, ces dispositifs portables pourraient aider à restaurer certaines dégradations neuronales qui se produisent dans des maladies comme la sclérose en plaques. À long terme, ces appareils pourraient être intégrés à d’autres matériaux pour créer de minuscules circuits capables de mesurer et de moduler des cellules individuelles.
« Le concept et la plate-forme technologique que nous présentons ici sont comme une pierre angulaire qui ouvre d’immenses possibilités pour la recherche future », déclare Deblina Sarkar, professeur adjoint de développement de carrière chez AT&T au MIT Media Lab et Center for Neurobiological Engineering, responsable du Nano-Cybernetic Biotrek Lab et auteur principal d’un article sur cette technique.
Sarkar est rejoint dans l’article par l’auteur principal Marta JI Airaghi Leccardi, ancienne postdoctorante du MIT qui est maintenant Novartis Innovation Fellow ; Benoît XE Desbiolles, postdoctorant au MIT ; Anna Y. Haddad ’23, qui était chercheuse de premier cycle au MIT pendant les travaux ; et les étudiants diplômés du MIT, Baju C. Joy et Chen Song. La recherche apparaît aujourd’hui dans Chimie des communications naturelles.
Cellules bien enveloppantes
Les cellules cérébrales ont des formes complexes, ce qui rend extrêmement difficile la création d’un implant bioélectronique capable de s’adapter étroitement aux neurones ou aux processus neuronaux. Par exemple, les axones sont des structures minces en forme de queue qui s’attachent au corps cellulaire des neurones, et leur longueur et leur courbure varient considérablement.
Dans le même temps, les axones et autres composants cellulaires sont fragiles, de sorte que tout appareil qui s’interface avec eux doit être suffisamment souple pour établir un bon contact sans les endommager.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs du MIT ont développé des dispositifs à couches minces à partir d’un polymère souple appelé azobenzène, qui n’endommagent pas les cellules qu’elles enveloppent.
En raison d’une transformation matérielle, de fines feuilles d’azobenzène rouleront lorsqu’elles seront exposées à la lumière, leur permettant ainsi de s’enrouler autour des cellules. Les chercheurs peuvent contrôler avec précision la direction et le diamètre du roulement en faisant varier l’intensité et la polarisation de la lumière, ainsi que la forme des appareils.
Les films minces peuvent former de minuscules microtubes dont le diamètre est inférieur au micromètre. Cela leur permet de s’enrouler doucement mais confortablement autour des axones et des dendrites très courbés.
« Il est possible de contrôler très finement le diamètre du laminage. Vous pouvez vous arrêter si, lorsque vous atteignez une dimension particulière, vous le souhaitez en ajustant l’énergie lumineuse en conséquence », explique Sarkar.
Les chercheurs ont expérimenté plusieurs techniques de fabrication pour trouver un processus évolutif et ne nécessitant pas l’utilisation d’une salle blanche pour semi-conducteurs.
Fabriquer des vêtements microscopiques
Ils commencent par déposer une goutte d’azobenzène sur une couche sacrificielle composée d’un matériau hydrosoluble. Ensuite, les chercheurs apposent un tampon sur la goutte de polymère pour mouler des milliers de minuscules dispositifs au-dessus de la couche sacrificielle. La technique d’estampage leur permet de créer des structures complexes, des rectangles aux formes de fleurs.
Une étape de cuisson garantit que tous les solvants sont évaporés, puis ils utilisent une gravure pour gratter tout matériau restant entre les appareils individuels. Enfin, ils dissolvent la couche sacrificielle dans l’eau, laissant des milliers de dispositifs microscopiques flotter librement dans le liquide.
Une fois qu’ils ont trouvé une solution avec des dispositifs flottants, ils ont actionné les appareils sans fil avec de la lumière pour les faire rouler. Ils ont découvert que les structures flottantes peuvent conserver leur forme pendant des jours après l’arrêt de l’éclairage.
Les chercheurs ont mené une série d’expériences pour garantir que l’ensemble de la méthode est biocompatible.
Après avoir perfectionné l’utilisation de la lumière pour contrôler le roulement, ils ont testé les dispositifs sur des neurones de rat et ont découvert qu’ils pouvaient s’enrouler étroitement autour des axones et des dendrites, même très courbés, sans causer de dommages.
« Pour avoir des interfaces intimes avec ces cellules, les dispositifs doivent être souples et capables de se conformer à ces structures complexes. C’est le défi que nous avons résolu dans ce travail. Nous avons été les premiers à montrer que l’azobenzène pouvait même s’enrouler autour des cellules vivantes », explique-t-elle.
L’un des plus grands défis auxquels ils ont été confrontés consistait à développer un processus de fabrication évolutif pouvant être réalisé en dehors d’une salle blanche. Ils ont également répété sur l’épaisseur idéale pour les appareils, car les rendre trop épais provoque des fissures lorsqu’ils roulent.
L’azobenzène étant un isolant, une application directe consiste à utiliser ces dispositifs comme myéline synthétique pour les axones endommagés. La myéline est une couche isolante qui enveloppe les axones et permet aux impulsions électriques de voyager efficacement entre les neurones.
Dans les maladies non myélinisantes comme la sclérose en plaques, les neurones perdent certaines feuilles de myéline isolantes. Il n’existe aucun moyen biologique de les régénérer. En agissant comme de la myéline synthétique, les appareils portables pourraient aider à restaurer la fonction neuronale chez les patients atteints de SEP.
Les chercheurs ont également démontré comment les dispositifs peuvent être combinés avec des matériaux optoélectriques capables de stimuler les cellules. De plus, des matériaux atomiquement minces peuvent être modelés sur les dispositifs, qui peuvent toujours rouler pour former des microtubes sans se briser. Cela ouvre des possibilités d’intégration de capteurs et de circuits dans les appareils.
De plus, comme ils établissent un lien si étroit avec les cellules, on pourrait utiliser très peu d’énergie pour stimuler les régions subcellulaires. Cela pourrait permettre à un chercheur ou à un clinicien de moduler l’activité électrique des neurones pour traiter les maladies cérébrales.
« C’est passionnant de démontrer cette symbiose d’un dispositif artificiel avec une cellule à une résolution sans précédent. Nous avons montré que cette technologie est possible », déclare Sarkar.
En plus d’explorer ces applications, les chercheurs souhaitent essayer de fonctionnaliser les surfaces du dispositif avec des molécules qui leur permettraient de cibler des types de cellules ou des régions subcellulaires spécifiques.
La recherche a été soutenue par le Fonds national suisse et la National Institutes of Health Brain Initiative des États-Unis.
