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Depuis plus de 15 ans, le professeur Andreas Hierlemann de l'ETH Zurich et son groupe développent des puces à réseaux de microélectrodes qui peuvent être utilisées pour exciter avec précision les cellules nerveuses dans des cultures cellulaires et pour mesurer l'activité électrique des cellules. Ces développements permettent de cultiver des cellules nerveuses dans des boîtes de culture cellulaire et d'utiliser des puces situées au fond de la boîte pour examiner en détail chaque cellule individuelle dans un tissu nerveux connecté. Les méthodes alternatives pour effectuer de telles mesures présentent des limites évidentes. Elles sont soit très longues - car le contact avec chaque cellule doit être établi individuellement - soit elles nécessitent l'utilisation de colorants fluorescents, qui influencent le comportement des cellules et donc le résultat des expériences.
Aujourd'hui, les chercheurs du groupe d'Andreas Hierlemann au département de science et d'ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle, avec Urs Frey et ses collègues de la spin-off de l'ETH Zurich MaxWell Biosystems, ont développé une nouvelle génération de puces à microprocesseur. Ces puces permettent l'enregistrement détaillé d'un nombre d'électrodes beaucoup plus important que les systèmes précédents, ce qui ouvre de nouvelles applications.
Un signal plus fort est nécessaire
Comme pour les générations précédentes, les nouvelles puces comportent environ 20 000 microélectrodes sur une surface de 2 x 4 millimètres. Pour que ces électrodes puissent capter les impulsions nerveuses relativement faibles, les signaux doivent être amplifiés. Parmi les exemples de signaux faibles que les scientifiques veulent détecter figurent ceux des cellules nerveuses, dérivées des cellules souches pluripotentes induites (iPS) humaines. Celles-ci sont actuellement utilisées dans de nombreux modèles de maladies issues de la culture cellulaire. Une autre raison d'amplifier les signaux de manière significative est que les chercheuses et chercheurs veulent suivre les impulsions nerveuses dans les axones (fines et très fines extensions fibreuses d'une cellule nerveuse).
Cependant, l'électronique d'amplification haute performance prend de la place, c'est pourquoi la précédente puce ne pouvait amplifier et lire simultanément les signaux que de 1 000 des 20 000 électrodes. Bien que les 1 000 électrodes puissent être choisies arbitrairement, elles devaient être déterminées avant chaque mesure. Cela signifie qu'il était possible d'effectuer des enregistrements détaillés sur une fraction seulement de la surface de la puce pendant une mesure.
Réduction du bruit de fond
Dans la nouvelle puce, les amplificateurs sont plus petits, ce qui permet d'amplifier et de mesurer les signaux des 20 000 électrodes en même temps. Cependant, les plus petits amplificateurs ont des niveaux de bruit plus élevés. Ainsi, pour s'assurer qu'ils capturent même les impulsions nerveuses les plus faibles, les chercheuses et chercheurs ont inclus certains des amplificateurs les plus grands et les plus puissants dans les nouvelles puces et utilisent une astuce ingénieuse: ils et elles utilisent ces amplificateurs puissants pour identifier les points temporels, auxquels les impulsions nerveuses se produisent dans la boîte de culture cellulaire. À ces points temporels, ils et elles peuvent ensuite rechercher des signaux sur les autres électrodes, et en prenant la moyenne de plusieurs signaux successifs, ils et elles peuvent réduire le bruit de fond. Cette procédure permet d'obtenir une image claire de l'activité du signal sur toute la zone mesurée.
Lors des premières expériences, que les chercheuses et chercheurs ont publiées dans la revue Nature Communications, ils et elles ont démontré leur méthode sur des cellules neuronales humaines dérivées de l'iPS ainsi que sur des coupes de cerveau, des morceaux de rétine, des cellules cardiaques et des sphéroïdes neuronaux.
Application dans le développement de médicaments
Grâce à la nouvelle puce, les scientifiques peuvent produire des images électriques non seulement des cellules mais aussi de l'extension de leurs axones, et ils et elles peuvent déterminer à quelle vitesse une impulsion nerveuse est transmise jusqu'à la partie la plus éloignée des axones. «Les générations précédentes de puces à réseau de microélectrodes nous permettaient de mesurer jusqu'à 50 cellules nerveuses. Avec la nouvelle puce, nous pouvons effectuer des mesures détaillées de plus de 1 000 cellules dans une culture en une seule fois», explique Andreas Hierlemann.
Des mesures aussi complètes conviennent pour tester les effets des médicaments, ce qui signifie que les scientifiques peuvent désormais mener des recherches et des expériences avec des cultures de cellules humaines au lieu de se fier aux animaux de laboratoire. La technologie permet donc également de réduire le nombre d'expériences sur les animaux.
La spin-off de l'ETH Zurich MaxWell Biosystems commercialise déjà la technologie des microélectrodes existante, qui est maintenant utilisée dans le monde entier par plus d'une centaine de groupes de recherche dans des universités et dans l'industrie. L'entreprise étudie actuellement la possibilité de commercialiser la nouvelle puce.