Existe-t-il un meilleur moyen pour les scientifiques de mettre en lumière les cellules nerveuses de tout le corps ? Lorsque les chercheurs Xinyue Liu et Siyuan Rao ont commencé leur collaboration au MIT, ils ont traité cette question au pied de la lettre.
Optogénétique est une branche interdisciplinaire de la science dans laquelle les cellules sont génétiquement modifiées pour être sensibles à la lumière, ce qui permet d’inhiber ou d’exciter les cellules et d’étudier leur fonction en appliquant une lumière colorée. Généralement, les fils transmettant la lumière qui atteignent les cellules cibles sont constitués de matériaux qui fonctionnent bien lorsqu’ils sont stationnaires dans le cerveau. Cependant, s’ils sont implantés ailleurs dans le corps d’un animal testé, ils pourraient se briser, endommager les tissus ou affecter le comportement, ce qui rendrait difficile l’étude du système nerveux périphérique et de la douleur en particulier.
«Cette fibre flexible élargit la boîte à outils des approches dont nous disposons.» —Rob Bonin, Université de Toronto
Maintenant, Liu, Rao et leurs collègues ont développé une fibre optique souple, flexible et durable, capable de délivrer un signal lumineux optogénétique loin du cerveau ou de la colonne vertébrale en utilisant un nouveau matériau :
hydrogel. Le filament se compose d’un noyau interne et d’une gaine externe de deux versions de l’hydrogel avec des propriétés réfractives différentes, mais la fibre ne mesure qu’environ un millimètre de diamètre.
Les chercheurs ont décrit la fibre optique et diverses façons dont elle a été mise à l’épreuve chez des souris modèles dans un article publié par
Méthodes naturelles, publié le 19 octobre. Le travail ajoute une autre technique – et un peu de flexibilité – au répertoire de l’optogénétique, à l’étude du système nerveux périphérique et éventuellement à la future médecine translationnelle, y compris le traitement de la douleur, de la douleur chronique et des troubles nerveux.
« Cette fibre flexible élargit la boîte à outils d’approches dont nous disposons pour le travail optogénétique périphérique », a déclaré Rob Bonin, chercheur sur la douleur au
Université de Toronto qui n’a pas participé à la recherche, citant la flexibilité et la durabilité comme deux avantages majeurs de la nouvelle approche.
D’une manière générale, les hydrogels sont des réseaux mous de polymères et d’eau, comme le tofu ou la gelée. « Notre corps est également constitué d’hydrogels. À l’exception des os et des dents, nos muscles et autres organes sont en réalité tous des hydrogels », a déclaré Liu, spécialiste des matériaux aujourd’hui à l’Université de Hong Kong.
Université de Michigan. La fibre utilise un hydrogel d’alcool polyvinylique, sélectionné pour sa combinaison de propriétés optiques et de durabilité sous contraintes mécaniques répétées.
L’étude des matériaux mous a été lancée en pensant spécifiquement à la recherche optogénétique sur la douleur dans le système nerveux périphérique. « Si votre implant lui-même provoque de la douleur, comment allez-vous utiliser cette technologie pour étudier la douleur ? a déclaré Rao, un neuroscientifique maintenant au
Université du Massachusetts à Amherst.
Et bien qu’à l’heure actuelle, la fibre d’hydrogel soit principalement utilisée comme outil de recherche chez la souris, les mêmes qualités qui distinguent cette nouvelle technologie pour la science fondamentale (elle est durable et apparemment confortable dans un corps en mouvement libre sans compromis sur les performances optiques) sont également positives. à des fins thérapeutiques potentielles. « Nous travaillons dans cette direction », a déclaré Rao.
La technologie promet un large éventail d’applications potentielles au-delà du cerveau et de la colonne vertébrale.
Les chercheurs ont ancré une extrémité de leur fibre au crâne des souris, l’ont enfilée sous la peau et ont enroulé une manchette à l’autre extrémité autour du nerf sciatique de la jambe. D’un point de vue pratique, cela rendait l’implant compatible avec les sources de lumière externes existantes et empêchait les souris de gratter n’importe quel élément de l’appareil. Mais cela a également fonctionné comme une démonstration permettant une gamme complète de mouvements du sujet. À l’échelle d’une souris, la fibre ne devait mesurer que 6 centimètres de long, mais les auteurs ont indiqué qu’elle pourrait être étendue à d’autres utilisations.
Une série de tests a montré que la fibre transmettait la lumière et également comment elle fonctionnait chez les souris, bloquant la douleur causée par une plaque chauffante sur le pied et induisant un mouvement dans la jambe. Il est important de noter que la fibre a bien fonctionné après plusieurs semaines d’utilisation volontaire de la roue d’exercice, ce qui, selon les chercheurs, a entraîné des milliers de courbures et de torsions.
D’autres études optogénétiques du système nerveux périphérique chez la souris ont tenté diverses méthodes d’émission de lumière qui n’utilisent pas du tout de fibre optique, mais diffusent plutôt de la lumière à travers la peau ou implantent des dispositifs distants miniaturisés. En comparaison, la nouvelle fibre d’hydrogel devrait être capable de cibler plus précisément des cellules spécifiques, a déclaré Rao.
Pour Bonin, la source de lumière externe a ses avantages et ses inconvénients, notamment une lumière d’intensité plus élevée et la possibilité qu’une attache puisse affecter le comportement, respectivement.
Federico Iseppon, chercheur sur la douleur à
Collège universitaire de Londres qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré que même si la fibre peut être relativement facile à utiliser, sa fabrication et son implantation chirurgicale nécessiteront néanmoins des connaissances spécialisées. Il promet un large éventail d’applications potentielles au-delà du cerveau et de la colonne vertébrale. « Sa plasticité réside dans les multiples tissus différents qui pourraient être ciblés avec cette technologie », a-t-il déclaré.
Liu travaille actuellement sur une interface, telle qu’un patch, entre l’hydrogel et les organes, qui permettrait des connexions que la conception actuelle du brassard ne permet pas. Idéalement, la fibre permettra également aux scientifiques d’enregistrer l’activité et d’envoyer des signaux aux cellules.
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