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Un nanovolcan pour étudier les cellules cardiaques

Inspection des micro-chips au Centre de Micro-Nanotechnologies de l’EPFL © Alain Herzog/2019 EPFL

Inspection des micro-chips au Centre de Micro-Nanotechnologies de l’EPFL © Alain Herzog/2019 EPFL

Des chercheurs de l’EPFL et l’Université de Berne ont développé une technique innovante pour étudier les signaux électriques des cardiomyocytes, les cellules musculaires du cœur. Cette méthode offre de nombreuses possibilités d’applications en recherche fondamentale ou appliquée, telles qu’une plus grande efficacité dans la détection des mécanismes sous-jacents aux arythmies cardiaques.

Les cellules sont les plus petites entités vivantes qui existent dans un organisme. Les cellules excitables – comme les neurones ou les cardiomyocytes – émettent des signaux électriques qui leur permettent d’établir entre elles la communication nécessaire au bon fonctionnement de l’organisme. Pour étudier ces signaux électriques, les scientifiques ont recours à des électrodes placées soit en dehors de la membrane cellulaire (extracellulaire), soit à l’intérieur de celle-ci (intracellulaire).

A l’EPFL, des chercheurs du Laboratoire de microsystèmes de Philippe Renaud (LMIS4), en collaboration avec le Laboratoire d’optique cellulaire de Stephan Rohr à l’Université de Berne, ont mis au point une nouvelle microélectrode permettant un accès intracellulaire spontané, et, lorsqu’elle est placée en réseau, de suivre l’activité électrique des cellules cardiaques au fur et à mesure qu’elle se propage dans les tissus. Cette technique fait l’objet d’une publication dans le journal Nano Letters.

Des techniques au point

Les méthodes utilisées pour enregistrer l’activité électrique des cellules ont beaucoup évolué mais ont aussi montré leurs limites. Bien que non-invasives, les techniques extracellulaires – notamment par le biais d’un réseau d’électrodes (technologie du Multi-Electrode Array) placé à proximité des cellules – permettent de mesurer des signaux qui ne sont qu’indirectement liés au potentiel d’action de ces cellules. Les scientifiques n’ont donc que très peu d’informations quant à la forme réelle du potentiel d’action – le processus durant lequel le potentiel électrique d’une cellule augmente puis chute rapidement et qui engendre, entre autres, les battements de notre cœur.

La première mesure du potentiel d’action cellulaire a été réalisée il y a sept décennies à l’Université de Berne par Silvio Weidmann. Depuis, les chercheurs étudient ces signaux en ayant recours à des microélectrodes intracellulaires. Quand celles-ci ne sont pas empalées directement dans la cellule, elles sont placées sur la membrane cellulaire, qui s’ouvre à l’embouchure de l’électrode pour permettre l’accès intracellulaire. Ce processus peut être effectué soit mécaniquement, soit grâce à l’électroporation, qui consiste à appliquer des impulsions électriques sur la membrane cellulaire afin de la rendre plus perméable. Cette méthode fut récemment utilisée pour insérer des électrodes nano-structurées ayant la forme de micro-champignons ou de nano-aiguilles par exemple. Cependant, il n’est pas rare que les scientifiques rencontrent des problèmes d’interface entre l’électrode et la cellule suite à cette manipulation: la membrane cellulaire se reforme tellement rapidement sur la structure qu’elle ne permet qu’un accès de courte durée aux signaux électriques (généralement de plusieurs secondes à quelques minutes).

S’inspirer de la nature

Pour pallier ces inconvénients, les scientifiques de Lausanne et de Berne ont combiné les avantages de ces techniques et ajouté un brin d’innovation pour créer une nouvelle structure en forme de volcan. «Nous avons joué avec la géométrie et les matériaux afin de mettre au point une électrode pouvant entrer dans la cellule spontanément, sans avoir recours à l’électroporation. Nous nous sommes entre autres inspirés d’une étude menée par notre laboratoire qui montre qu’en imitant la membrane cellulaire, on optimise l’interface cellule-électrode», explique Benoît Desbiolles, étudiant doctorant au LMIS4 et premier auteur de la publication.

L’électrode développée par les chercheurs, le «nanovolcan», comporte donc un anneau d’or de même taille que la membrane cellulaire et bordé des mêmes biomolécules qui constituent cette dernière. Cet anneau forme les bords du cratère. L’intérieur, en platine, est l’électrode elle-même. L’extérieur, en verre, est isolant. «Lorsque l’on vient poser les cellules sur la structure, elles vont sédimenter et adhérer à l’électrode. Au cours du processus, les murs de l’électrode, très aiguisés, perforent la membrane cellulaire pour permettre l’accès intracellulaire. Au lieu de se refermer, la membrane s’ancre dans l’anneau d’or, optimisant l’enregistrement des signaux électriques», précise Benoît Desbiolles.

Une porte vers de multiples applications

Grâce aux nanovolcans, il est désormais possible d'enregistrer en parallèle les potentiels d'action transmembranaire depuis de nombreux emplacements dans les cultures de cellules. Ce réseau d'électrodes intracellulaires permet d’obtenir de nombreuses informations quant à la manière dont les cardiomyocytes fonctionnent entre eux.

«Pour les électro physiologistes comme moi, c’est un peu comme si un rêve devenait réalité,» s’enthousiasme Stephan Rohr, directeur du Laboratoire d’optique cellulaire à l’Université de Berne et co-auteur de la publication. «En plus de pouvoir mesurer les potentiels d’action des cardiomyocytes, nous pouvons désormais étudier leur forme, et comment celle-ci change lorsque les signaux se propagent, en fonction de la structure des tissus et des conditions pathologiques. Ce sont des données essentielles pour une meilleure compréhension des mécanismes conduisant à une arythmie cardiaque potentiellement mortelle.»

Les applications du nanovolcan ne se limitent pas là. «La nouveauté réside aussi dans la simplicité de son procédé de fabrication,» précise Benoît Desbiolles. Des tests sont en cours pour déterminer si l’électrode est également efficace pour enregistrer les signaux électriques d’autres cellules excitables, telles que les neurones. Le jeune chercheur y voit aussi une ouverture vers d’autres domaines scientifiques: «de par sa forme, l’électrode représente une porte à l’intérieur de la cellule. On pourrait imaginer y faire de l’électrochimie.» Enfin, ce nouvel outil pourrait également être utile à l’industrie pharmaceutique, afin de tester la réaction des cellules à certains médicaments et, à long terme, de proposer des traitements adaptés au fonctionnement de chacun.

Références

B. X. E. Desbiolles, E. de Coulon, A. Bertsch, S. Rohr, P. Renaud, Intracellular Recording of Cardiomyocyte Action Potentials with Nanopatterned Volcano-Shaped Microelectrode Arrays, Nano Letters, 2019



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Wafer de verre supportant 9 micro-chips ©A.Herzog/EPFL
Wafer de verre supportant 9 micro-chips ©A.Herzog/EPFL
Micro-chip et réseau de nanovolcans interfacé avec son anneau de culture cellulaire ©A.Herzog/EPFL
Micro-chip et réseau de nanovolcans interfacé avec son anneau de culture cellulaire ©A.Herzog/EPFL

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