Les neurones sont les unités fondamentales du cerveau et du système nerveux, les cellules chargées de recevoir les informations sensorielles du monde extérieur, d’envoyer des commandes motrices à nos muscles et de transformer et relayer les signaux électriques à chaque étape intermédiaire. Les neurones, également appelés cellules nerveuses, sont composés de trois parties principales : le corps cellulaire, les dendrites et l’axone, une extension longue et mince responsable de la communication avec les autres cellules.
Lorsque les neurones sont endommagés par une maladie dégénérative ou une blessure, ils ont peu ou pas de capacité à guérir par eux-mêmes. La restauration des réseaux de neurones et de leur fonctionnement normal est donc un défi important dans le domaine de l’ingénierie tissulaire.
Le professeur Orit Shefi et la doctorante Reut Plen de la faculté d’ingénierie Kofkin de l’université Bar-Ilan ont développé une nouvelle technique pour surmonter ce défi en utilisant la nanotechnologie et les manipulations magnétiques, l’une des approches les plus innovantes pour créer des réseaux de neurones. Leurs recherches ont récemment été publiées dans la revue Matériaux fonctionnels avancés.
Pour créer des réseaux de neurones, les chercheurs ont injecté des nanoparticules d’oxyde de fer magnétique dans des cellules progénitrices neurales, transformant ainsi les cellules en unités magnétiques indépendantes.
Ensuite, ils ont exposé les cellules progénitrices, connues pour se développer en neurones, à un certain nombre de champs magnétiques pré-ajustés et ont dirigé à distance leur mouvement dans un substrat de collagène tridimensionnel et multicouche qui imite les caractéristiques naturelles des tissus corporels. Grâce à ces manipulations magnétiques, ils ont créé des « mini-cerveaux » tridimensionnels – des réseaux de neurones fonctionnels et multicouches qui imitent les éléments trouvés dans le cerveau des mammifères.
Après la solidification de la solution de collagène en un gel, les cellules sont restées en place selon les champs magnétiques appliqués à distance. En quelques jours, les cellules se sont développées en neurones matures, ont formé des extensions et des connexions, ont démontré une activité électrique et ont prospéré dans le gel de collagène pendant au moins 21 jours.
« Cette méthode ouvre la voie à la création d’une architecture cellulaire 3D à une échelle personnalisée pour une utilisation dans des applications de bio-ingénierie, thérapeutiques et de recherche, à la fois à l’intérieur et à l’extérieur du corps », déclare Ph.D. étudiant Reut Plén.
« Étant donné que les réseaux de neurones 3D que nous avons créés simulent les propriétés innées des tissus cérébraux humains, ils peuvent être utilisés comme « mini-cerveaux » expérimentaux et servir de modèle pour l’étude des médicaments, pour étudier la communication entre les tissus et comme moyen de construire des réseaux artificiels pour les interfaces entre l’ingénierie et les composants biologiques. »
« De plus, le modèle suggère une perspective intéressante pour injecter un tel gel, qui contient des cellules, à l’état liquide, l’introduire dans le système nerveux et organiser les cellules dans la bonne structure à l’aide de forces magnétiques. L’avantage d’utiliser cette méthode est que les champs magnétiques peuvent affecter les cellules situées profondément à l’intérieur du corps de manière non invasive », ajoute Plen.
L’insertion de particules magnétiques dans les cellules, et dans les cellules nerveuses en particulier, soulève des questions quant à la sécurité des futures applications médicales. « La question de la sécurité est importante et nous y avons consacré beaucoup de réflexion et de recherche », souligne le professeur Orit Shefi.
« Dans la première étape, nous avons testé l’effet de différentes particules sur la santé cellulaire en culture. De plus, nous avons recouvert les particules magnétiques d’une protéine biocompatible. Le revêtement crée un tampon entre l’élément magnétique et la cellule et favorise la pénétration des nanoparticules. . Il est important de noter que le fer, l’élément constitutif de la nanoparticule, existe naturellement dans le corps, ce n’est donc pas une substance étrangère. De plus, le même gel avec des particules magnétiques a été testé dans notre laboratoire et s’est révélé sûr à utiliser dans des modèles animaux.
La Food and Drug Administration des États-Unis a déjà approuvé l’utilisation de nanoparticules magnétiques à des fins de diagnostic et d’imagerie et en cas de blessure grave. Les mesures prises par le groupe de recherche Bar-Ilan créent une opportunité de faire progresser la technologie pour une utilisation clinique future. « Ce n’est que le début », disent Shefi et Plen. « Notre nouvelle méthode de création de « mini-cerveaux » ouvre la porte à la recherche de solutions pour diverses déficiences neurologiques qui, espérons-le, amélioreront la qualité de vie de nombreux patients. »
Plus d’information:
Reut Plen et al, Bio-ingénierie des réseaux de neurones 3D à l’aide de manipulations magnétiques, Matériaux fonctionnels avancés (2022). DOI : 10.1002/adfm.202204925