Une nouvelle sonde souple implantable peut surveiller les fluctuations des substances chimiques du cerveau

Un nouvel implant en forme de corde peut surveiller les fluctuations des substances chimiques du cerveau, un peu comme un tracker d’activité physique pour le cerveau.

Les déséquilibres de la chimie du cerveau sont au cœur de nombreuses maladies neurologiques. Ces mêmes substances chimiques cérébrales jouent également un rôle dans la santé intestinale. Les scientifiques de Stanford ont donc inventé “NeuroString”, une sonde souple implantable qui peut interagir de manière transparente avec les tissus cérébraux et intestinaux. Ils décrivent la sonde dans un article publié le 2 juin 2022 dans La nature. Il a des applications potentielles dans la dépression, la maladie de Parkinson et les maladies intestinales.

La façon conventionnelle dont les gens essaient de comprendre le cerveau est de lire et d’enregistrer des signaux électriques. Mais les signaux chimiques jouent un rôle tout aussi important dans la communication cérébrale et sont également directement liés à la maladie.”


Jinxing Li, le premier auteur de l’article.

Li a commencé et a fait le travail en tant que post-doctorant dans le laboratoire de Zhenan Bao au département de génie chimique de Stanford ; il est maintenant professeur adjoint de génie biomédical à la Michigan State University.

NeuroString mesure la dopamine et la sérotonine, deux messagers chimiques qui modulent les signaux électriques dans les neurones. La dopamine est surtout connue pour son rôle dans le système de récompense du cerveau ; La sérotonine est la cible des antidépresseurs comme le Prozac. Les deux sont également impliqués dans le mouvement, le sommeil, l’appétit et la digestion.

Des implants qui mesurent la dopamine et la sérotonine existent déjà, mais ils sont constitués de tiges de carbone rigides enfermées dans des tubes de verre. “Ce sont des sondes très rigides. Elles sont très fragiles”, explique Li. L’implant peut non seulement se rompre, mais aussi frotter contre les tissus mous du cerveau, ce qui peut enflammer les cellules cérébrales et dégrader l’implant.

Le laboratoire de Bao a conçu une sonde souple. “Mon groupe fabrique de l’électronique douce depuis un certain temps”, déclare Bao, professeur KK Lee et directeur du département de génie chimique de la Stanford School of Engineering. La sonde est faite de graphène, une forme de carbone atomiquement mince. L’équipe de Bao a utilisé un laser pour graver ce que Li décrit comme un “réseau poilu et enchevêtré de graphène” dans un plastique. Le plastique contient des molécules qui deviennent des points de nanoparticules sur la surface du graphène qui peuvent améliorer la sensibilité et la sélectivité pour la mesure simultanée de la dopamine et de la sérotonine. Ils ont ensuite intégré le filet dans une matrice en caoutchouc. “Le graphène lui-même n’est pas très élastique, mais s’il est enchevêtré comme un maillage et intégré dans un caoutchouc, il devient alors élastique”, explique Li.

Bao ajoute : “C’est comme le kirigami. Si vous découpez des motifs et que vous pouvez ensuite les étirer, vous voyez une sorte de toile de papier creuse connectée. C’est la même chose ici, mais la toile est faite de feuilles de graphène.” NeuroString a la même douceur que les tissus biologiques. “Le capteur est doux et élastique, comme un élastique, qui ne cause pas de dommages lorsqu’il est implanté dans le cerveau ou l’intestin, qui est non seulement doux mais aussi en mouvement constant”, explique Bao.

Pour tester la sonde, l’équipe de Bao a collaboré avec des scientifiques de Stanford en biologie, psychiatrie, gastro-entérologie et chirurgie. “Je pense que c’est la partie la plus privilégiée de Stanford : c’est assez ouvert et collaboratif”, déclare Li. Le travail a été soutenu par une subvention de démarrage de Bio-X et une subvention Big Ideas in Neuroscience du Wu Tsai Neuroscience Institute, qui favorisent toutes deux les collaborations interdisciplinaires.

Dans une expérience, l’équipe a implanté NeuroString dans le cerveau et l’intestin des mêmes souris. Lorsqu’ils ont nourri des souris avec du sirop de chocolat, NeuroString a détecté des pics de dopamine dans le cerveau et des pics de sérotonine dans l’intestin, deux réponses attendues au chocolat. La dopamine est produite dans le cerveau, tandis que la sérotonine est produite principalement dans l’intestin. Dans une autre expérience, NeuroString a détecté des schémas distinctifs de sérotonine intestinale chez des souris présentant une inflammation intestinale par rapport à des souris en bonne santé.

“La première fois que nous avons vu le signal de la sonde a été un moment d’eurêka”, explique le co-auteur Xiaoke Chen, professeur agrégé de biologie. “L’enregistrement chronique des signaux de dopamine et de sérotonine chez des animaux en mouvement libre est une expérience de rêve que nous avons toujours voulu faire. Et avec cette belle collaboration, nous avons pu y arriver.”

Les souris implantées se comportaient et mangeaient normalement et avaient des selles normales. “Ce qui est excitant avec cet outil, c’est qu’il ne semble pas perturber le fonctionnement normal des tissus”, explique la co-auteure Aida Habtezion, professeur de médecine. Cela signifie que l’implant pourrait un jour être utilisé pour la surveillance en temps réel chez l’homme, similaire à une montre intelligente mais capable de suivre les niveaux biochimiques plutôt que la fréquence cardiaque ou les pas, dit-elle. Habtezion est actuellement en congé et occupe le poste de médecin-chef de Pfizer, mais a contribué au travail alors qu’il était encore à Stanford.

La surveillance des niveaux de sérotonine dans l’intestin pourrait être utile pour diagnostiquer et gérer les maladies intestinales telles que le syndrome du côlon irritable. La surveillance des niveaux de dopamine dans le cerveau pourrait être utile dans la maladie de Parkinson, qui est causée par un manque de dopamine. L’un des traitements de la maladie de Parkinson, la stimulation cérébrale profonde, agit en partie en stimulant les neurones pour produire plus de dopamine. Si des stimulateurs cérébraux profonds pouvaient être combinés avec NeuroString, cela permettrait aux cliniciens de contrôler avec précision la quantité de dopamine libérée.

L’implant n’est pas encore prêt pour une utilisation clinique. D’une part, la sonde est toujours connectée aux fils qui lisent les signaux ; Une version sans fil serait nécessaire pour une utilisation chez les personnes. Pendant ce temps, la sonde a de nombreuses utilisations dans la recherche. Par exemple, les antidépresseurs comme le Prozac agissent en modulant les niveaux de sérotonine, ce qui peut expliquer pourquoi ils provoquent parfois des effets secondaires gastro-intestinaux, dit Chen. “Nous avons maintenant l’outil pour surveiller en temps réel l’impact de ces médicaments sur la fluctuation de la sérotonine dans le cerveau et l’intestin dans des modèles de souris.”

Il ajoute : “Maintenant que nous avons montré que la sonde fonctionne, il y a une très longue liste de questions biologiques que nous voulons aborder.”

Police de caractère:

École d’ingénierie de l’Université de Stanford

Référence du magazine :

Li, J. et coll. (2022) Un capteur de neurotransmetteur semblable à un tissu pour le cerveau et l’intestin. La nature. doi.org/10.1038/s41586-022-04615-2.

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