Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur ETH Martin Fussenegger a réussi à utiliser un courant électrique pour contrôler directement l'expression des gènes pour la première fois. Leur travail fournit la base d'implants médicaux qui peuvent être allumés et éteints à l'aide d'appareils électroniques à l'extérieur du corps.
Voilà comment cela fonctionne. Un dispositif contenant des cellules productrices d'insuline et une unité de contrôle électronique est implanté dans le corps d'un diabétique. Dès que le patient mange quelque chose et que sa glycémie augmente, il peut utiliser une application sur son smartphone pour déclencher un signal électrique, ou il peut préconfigurer l'application de le faire automatiquement si le repas a été entré à l'avance. Peu de temps après, les cellules libèrent la quantité nécessaire d'insuline produite pour réguler la glycémie du patient.
Cela peut ressembler à de la science-fiction, mais cela pourrait bientôt devenir réalité. Une équipe de chercheurs dirigée par Martin Fussenegger, professeur ETH de biotechnologie et de bio-ingénierie au Département des sciences et de l'ingénierie des biosystèmes de Bâle, a présenté son prototype d'un tel implant dans un nouvel article de la revue Science. Leur étude est la première à examiner comment l'expression génique peut être directement activée et régulée à l'aide de signaux électriques. Lors du test de leur approche chez la souris, les chercheurs ont établi qu'elle fonctionnait parfaitement.
Les scientifiques basés à Bâle ont une grande expérience dans le développement de réseaux génétiques et d'implants qui répondent à des états physiologiques spécifiques du corps, tels que des taux de lipides sanguins trop élevés ou des taux de sucre dans le sang trop bas. Bien que ces réseaux répondent aux stimuli biochimiques, ils peuvent également être contrôlés par des influences externes alternatives comme la lumière.
Nous voulons contrôler directement l'expression des gènes en utilisant l'électricité depuis longtemps; maintenant, nous avons enfin réussi. «
Martin Fussenegger, professeur ETH de biotechnologie et de bio-ingénierie au Département des sciences et de l'ingénierie des biosystèmes à Bâle
Une carte de circuit imprimé et un conteneur de cellules détiennent la clé
L'implant que les chercheurs ont conçu est composé de plusieurs parties. D'un côté, il a une carte de circuit imprimé (PCB) qui accueille le récepteur et l'électronique de commande; de l'autre, une capsule contenant des cellules humaines. La connexion du PCB au conteneur de cellules est un petit câble.
Un signal radio provenant de l'extérieur du corps active l'électronique dans l'implant, qui transmet ensuite des signaux électriques directement aux cellules. Les signaux électriques stimulent une combinaison spéciale de canaux calciques et potassiques; à son tour, cela déclenche une cascade de signalisation dans la cellule qui contrôle le gène de l'insuline. Par la suite, la machinerie cellulaire charge l'insuline dans des vésicules que les signaux électriques font fusionner avec la membrane cellulaire, libérant l'insuline en quelques minutes.
Bientôt: l'Internet du corps
Fussenegger voit plusieurs avantages dans ce dernier développement. « Notre implant pourrait être connecté au cyber univers », explique-t-il. Les médecins ou les patients peuvent utiliser une application pour intervenir directement et déclencher la production d'insuline, ce qu'ils peuvent également faire à distance sur Internet dès que l'implant a transmis les données physiologiques requises. « Un appareil de ce type permettrait aux gens d'être pleinement intégrés dans le monde numérique et de faire partie de l'Internet des objets – ou même de l'Internet du corps », explique Fussenegger.
En ce qui concerne le risque potentiel d'attaques par des pirates, il adopte une position équilibrée: « Les gens portent déjà des stimulateurs cardiaques qui sont théoriquement vulnérables aux cyberattaques, mais ces appareils ont une protection suffisante. C'est quelque chose que nous devrions intégrer dans nos implants, aussi », dit-il.
Dans l'état actuel des choses, le plus grand défi qu'il voit est d'ordre génétique. Pour s'assurer qu'aucun dommage ne soit causé aux cellules et aux gènes, lui et son groupe doivent mener des recherches supplémentaires sur le courant maximal qui peut être utilisé. Les chercheurs doivent également optimiser la connexion entre l'électronique et les cellules.
Et un dernier obstacle à surmonter est de trouver un nouveau moyen plus facile et plus pratique de remplacer les cellules utilisées dans l'implant, ce qui doit être fait environ toutes les trois semaines. Pour leurs expériences, Fussenegger et son équipe de chercheurs ont attaché deux goulots de remplissage à leur prototype afin de remplacer les cellules; ils veulent trouver une solution plus pratique.
Cependant, avant que leur système puisse être utilisé chez l'homme, il doit encore passer toute une série de tests cliniques.
La source:
Référence de la revue:
Krawczyk, K., et al. (2020) Libération électrogénétique d'insuline cellulaire pour le contrôle glycémique en temps réel chez les souris diabétiques de type 1. Science. doi.org/10.1126/science.aau7187.