Les nanomatériaux ont été utilisés dans une variété d’applications émergentes, comme dans des produits pharmaceutiques ciblés ou pour renforcer d’autres matériaux et produits tels que des capteurs et des dispositifs de récupération et de stockage d’énergie. Une équipe de la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à St. Louis utilise des nanoparticules comme éléments chauffants pour manipuler l’activité électrique des neurones du cerveau et des cardiomyocytes du cœur.
Les résultats, publiés le 3 juillet 2021, dans Matériaux avancés, ont le potentiel d’être traduits en d’autres types de cellules excitables et de servir d’outil précieux en nano-neuro-ingénierie.
Srikanth Singamaneni, un scientifique des matériaux, et Barani Raman, un ingénieur biomédical, et leurs équipes ont collaboré pour développer une technologie non invasive qui inhibe l’activité électrique des neurones à l’aide de nanoparticules de polydopamine (PDA) et de lumière proche infrarouge. Les nanoparticules de PDA chargées négativement, qui se lient sélectivement aux neurones, absorbent la lumière proche infrarouge qui crée de la chaleur, qui est ensuite transférée aux neurones, inhibant leur activité électrique.
« Nous avons montré que nous pouvions inhiber l’activité de ces neurones et arrêter leur activation, non seulement de manière allumée et éteinte, mais de manière graduelle », a déclaré Singamaneni, professeur Lilyan & E. Lisle Hughes au département de génie mécanique et science des matériaux. « En contrôlant l’intensité lumineuse, nous pouvons contrôler l’activité électrique des neurones. Une fois que nous avons arrêté la lumière, nous pouvons les ramener complètement sans aucun dommage. »
En plus de leur capacité à convertir efficacement la lumière en chaleur, les nanoparticules PDA sont hautement biocompatibles et biodégradables. Les nanoparticules finissent par se dégrader, ce qui en fait un outil pratique à utiliser dans in vitro et in vivo expériences dans le futur.
Raman, professeur de génie biomédical, compare le processus à l’ajout de crème à une tasse de café.
« Lorsque vous versez de la crème dans du café chaud, elle se dissout et devient du café crémeux par le processus de diffusion », a-t-il expliqué. « C’est similaire au processus qui contrôle quels ions entrent et sortent des neurones. La diffusion dépend de la température, donc si vous maîtrisez bien la chaleur, vous contrôlez le taux de diffusion à proximité des neurones. Ce serait à son tour impact sur l’activité électrique de la cellule. Cette étude démontre le concept selon lequel l’effet photothermique, convertissant la lumière en chaleur, à proximité des neurones marqués par des nanoparticules peut être utilisé comme moyen de contrôler à distance des neurones spécifiques.
Pour continuer l’analogie avec le café, l’équipe a conçu une mousse photothermique semblable à un morceau de sucre, formant une population dense de nanoparticules dans un emballage étanche qui agit plus rapidement que les cristaux de sucre individuels qui se dispersent, a déclaré Raman.
« Avec autant d’entre eux emballés dans un petit volume, la mousse transduit plus rapidement la lumière en chaleur et donne un contrôle plus efficace uniquement aux neurones que nous voulons », a-t-il déclaré. « Vous n’avez pas besoin d’utiliser une puissance à haute intensité pour générer le même effet. »
En outre, l’équipe, qui comprend Jon Silva, professeur agrégé de génie biomédical, a appliqué les nanoparticules de PDA aux cardiomyocytes, ou cellules du muscle cardiaque. Fait intéressant, le processus photothermique a excité les cardiomyocytes, montrant que le processus peut augmenter ou diminuer l’excitabilité des cellules en fonction de leur type.
« L’excitabilité d’une cellule ou d’un tissu, qu’il s’agisse de cardiomyocytes ou de cellules musculaires, dépend dans une certaine mesure de la diffusion », a déclaré Raman. « Alors que les cardiomyocytes ont un ensemble de règles différent, le principe qui contrôle la sensibilité à la température devrait être similaire. »
À présent, l’équipe examine comment différents types de neurones réagissent au processus de stimulation. Ils cibleront des neurones particuliers en liant sélectivement les nanoparticules pour assurer un contrôle plus sélectif.
