Une équipe de chercheurs basés aux États-Unis a développé un capteur nanoélectronique innovant qui mesure simultanément l’activité électrique et mécanique des cellules cardiaques, ouvrant ainsi la voie à des approches améliorées en matière d’études sur les maladies cardiaques, de tests de médicaments et de médecine régénérative. Alors, comment fonctionne exactement le capteur ? Quels sont ses principaux avantages par rapport aux approches existantes ? Et quelles sont les prochaines étapes pour l’équipe de recherche ?
Capteur nanoélectronique
Les maladies cardiaques restent obstinément en tête de liste des principales causes de mortalité humaine, et l’intérêt pour leur étude reste une priorité au sein de la communauté scientifique. Au cours de telles études, il est généralement beaucoup plus pratique d'utiliser in vitro tissus qui existent en dehors du corps humain – et être capable de surveiller en permanence l’état des tissus avec un minimum de perturbations.
Dans le but d'optimiser ces processus, des chercheurs du University of Massachusetts Amherst et les terres parsemées de Université du Missouri ont créé un minuscule capteur nanoélectronique, beaucoup plus petit qu'une seule cellule, capable de mesurer simultanément les réponses cellulaires électriques et mécaniques dans le tissu cardiaque. Et cela de telle manière que la cellule ou le tissu étudié ne « sent » rien d’étrange qui y est branché.
Étant donné que les réponses électriques et mécaniques des cellules sont étroitement corrélées via le processus de couplage excitation-contraction, leur mesure simultanée est essentielle pour identifier les mécanismes physiologiques et pathologiques.
En tant que chef d'équipe Jun Yao explique, les capteurs existants ne peuvent détecter que l'activité électrique ou mécanique dans le tissu ou la cellule cardiaque. "Nous devions détecter les deux signaux simultanément pour mieux surveiller l'état des tissus et révéler davantage d'informations mécanistes", explique-t-il.
Les nouveaux nanocapteurs sont fabriqués à partir de matériaux inorganiques ou organiques qui sont rigoureusement testés pour garantir leur biocompatible. Le capteur intègre un nanofil de silicium semi-conducteur suspendu qui est 100 fois plus petit qu'une cellule et non toxique pour la cellule. "Imaginez qu'il s'agit d'une petite corde suspendue : si vous la tirez, elle peut ressentir la tension", explique Yao. « C’est ainsi qu’il peut détecter le signal mécanique des cellules. En attendant, imaginez qu’il s’agisse d’un câble conducteur, ce qui signifie qu’il peut également détecter les signaux électriques des cellules.
Prochaines étapes
Selon Yao, les nanocapteurs sont actuellement fabriqués sur un substrat plat à base de biopuce, sur lequel sont cultivées des cellules cardiaques. Cependant, à l’avenir, il est possible qu’ils soient intégrés dans les tissus selon une distribution 3D.
"Les capteurs peuvent être placés dans des modèles de tissus à l'extérieur du corps, qui peuvent être utilisés pour tester des variables clés telles que les effets des médicaments, de sorte que le capteur fournit des informations sur l'effet du médicament sur le tissu ou les cellules cardiaques", explique Yao. « Le tissu cardiaque est piloté par ce qu’on appelle le mécanisme d’excitation-contractile – le premier étant un processus électrique et le second un processus mécanique – et nous devons surveiller les deux afin de fournir le feedback le plus précis possible. Les capteurs précédents ne peuvent en détecter qu’un seul ; nous pouvons désormais surveiller les deux processus ensemble.
De minuscules réseaux de transistors enregistrent l’activité électrique à l’intérieur des cellules cardiaques
À plus long terme, Yao révèle qu’il est également possible que les capteurs puissent être intégrés sur ce qu’il décrit comme un « substrat livrable », afin qu’ils puissent être installés sur un cœur vivant pour la surveillance de la santé et le diagnostic précoce des maladies.
"Cela peut paraître effrayant, mais imaginez que tout est si petit que cela n'introduit pas de perturbation dans le cœur", dit-il. « La prochaine étape consistera à traduire l’intégration planaire actuelle des biopuces en une intégration 3D, afin que les capteurs atteignent les cellules dans l’espace 3D. Une solution possible consiste à intégrer ces capteurs sur un échafaudage tissulaire mou et poreux qui peut naturellement s’intégrer dans le tissu 3D.
Les chercheurs décrivent leurs découvertes dans Science Advances.
