Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) sont un sujet brûlant ces jours-ci, avec des entreprises comme Neuralink qui se battent pour créer des dispositifs qui connectent le cerveau humain aux machines. via Petites électrodes implantées. Les avantages potentiels des BCI vont de l’amélioration de la surveillance de l’activité cérébrale chez les patients souffrant de problèmes neurologiques à la restauration de la vision chez les personnes aveugles, en passant par la possibilité pour les humains de contrôler des machines en utilisant uniquement notre cerveau. Mais le principal obstacle au développement de ces appareils est les électrodes elles-mêmes – elles doivent conduire l’électricité, elles sont donc presque toutes en métal. Les métaux ne sont pas le matériau le plus approprié pour le cerveau, car ils sont durs et rigides et ne reproduisent pas l’environnement physique dans lequel les cellules cérébrales se développent normalement.
Ce problème a maintenant une solution dans un nouveau type d’échafaudage d’hydrogel électriquement conducteur développé à l’Institut Wyss de l’Université de Harvard, à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et au Massachusetts Institute of Technology. Non seulement l’échafaudage imite les conditions molles poreuses du tissu cérébral, mais il soutient la croissance et la différenciation des cellules progénitrices neurales humaines (NPC) en plusieurs types différents de cellules cérébrales pendant jusqu’à 12 semaines. Réalisation rapportée sur Matériaux de santé avancés.
Cet échafaudage conducteur à base d’hydrogel a un grand potentiel. Il ne peut pas seulement être utilisé pour étudier la formation des réseaux de neurones humains dans le laboratoire, Cela pourrait également permettre la création de BCI hybrides bio-implantables qui s’intègrent de manière plus transparente au tissu cérébral d’un patient, améliorant leurs performances et réduisant leur risque d’infection.
Christina Tringidis, Ph.D., auteur principal, ancienne étudiante diplômée à Wyss et SEAS et maintenant postdoctorale à l’ETH Zürich
D’un, plusieurs
Tringides et son équipe ont créé la première électrode à base d’hydrogel en 2021, motivées par le désir de fabriquer des électrodes plus douces qui peuvent « couler » pour épouser les courbes naturelles, les coins et les recoins du cerveau. Alors que l’équipe a montré que leur électrode était hautement compatible avec le tissu cérébral, ils savaient que le matériau le plus compatible avec les cellules vivantes était d’autres cellules. Ils ont décidé d’essayer d’intégrer des cellules cérébrales vivantes dans l’électrode elle-même, ce qui pourrait permettre à une électrode implantée de transmettre des impulsions électriques au cerveau d’un patient. via Connectivité cellulaire plus naturelle.
Pour faire de l’hydrogel conducteur un endroit plus confortable pour les cellules, ils ont ajouté une étape de lyophilisation au processus de fabrication. Les cristaux de glace formés pendant la lyophilisation ont forcé l’hydrogel à se concentrer dans les vides autour des cristaux. Au fur et à mesure que les cristaux de glace s’évaporaient, ils laissaient derrière eux des pores entourés par l’hydrogel conducteur, formant un échafaudage poreux. Cette structure garantissait que les cellules auraient une large surface de croissance et que les composants électriquement conducteurs formeraient un chemin continu à travers l’hydrogel, délivrant des impulsions à toutes les cellules.
Les chercheurs ont varié les recettes de leurs hydrogels pour créer des échafaudages qui sont soit en caoutchouc visqueux (comme Jell-O) ou flexibles (comme un élastique), et souples ou rigides. Ils ont ensuite cultivé des cellules progénitrices neuronales humaines (NPC) sur ces échafaudages pour voir quelle combinaison de propriétés physiques soutient le mieux la croissance et le développement neuronaux.
Les cellules ont été cultivées sur des gels qui avaient des filets viscoélastiques et plus doux que les structures en forme de filet sur l’échafaudage et se sont différenciées en plusieurs autres types de cellules après cinq semaines. En revanche, les cellules cultivées sur des gels flexibles formaient des amas constitués en grande partie de PNJ indifférenciés. L’équipe a également modifié la quantité de matériau conducteur dans l’hydrogel pour voir comment cela affectait la croissance et le développement neuronaux. Plus l’échafaudage est conducteur, plus les cellules forment des réseaux ramifiés (comme elles le font in vivo) au lieu d’agglomérats.
Les chercheurs ont ensuite analysé les différents types de cellules qui se sont développés dans leurs échafaudages d’hydrogel. Ils ont découvert que les astrocytes, qui soutiennent les neurones à la fois physiquement et également, formaient leurs longues projections caractéristiques lorsqu’ils se développaient sur des gels viscoélastiques par rapport à des gels élastiques, et qu’il y en avait beaucoup plus lorsque les gels viscoélastiques contenaient plus de matériau conducteur. Les oligodendrocytes, qui créent la gaine de myéline qui isole les axones des neurones, étaient également présents dans les échafaudages. Il y avait plus de myéline totale et de segments de myéline plus longs sur les gels viscoélastiques que sur les gels viscoélastiques, et l’épaisseur de la myéline augmentait lorsqu’il y avait plus de matériau conducteur dans les gels.
résistance électrique
Enfin, l’équipe a appliqué la stimulation électrique à des cellules humaines vivantes via matériaux conducteurs dans un échafaudage d’hydrogel pour voir comment cela affectait la croissance cellulaire. Les cellules ont été électrocutées pendant 15 minutes à la fois, quotidiennement ou tous les deux jours. Après huit jours, les échafaudages qui avaient été pulsés quotidiennement avaient très peu de cellules vivantes, alors que ceux qui avaient été pulsés tous les deux jours étaient pleins de cellules vivantes dans tout l’échafaudage.
Après cette période de stimulation, les cellules ont été laissées sur les échafaudages pendant 51 jours. Les quelques cellules restantes dans les échafaudages stimulés quotidiennement ne se sont pas différenciées en d’autres types de cellules, alors que les échafaudages tous les deux jours contenaient des neurones et des astrocytes hautement différenciés avec des saillies allongées. La différence des impulsions électriques testées ne semble pas avoir d’effet sur la quantité de myéline présente dans les gels.
« La différenciation réussie des PNJ humains en plusieurs types de cellules cérébrales au sein de nos échafaudages est la confirmation que l’hydrogel conducteur leur fournit le bon type d’environnement dans lequel se développer. » dans le laboratoire« , a déclaré l’auteur principal Dave Mooney, PhD, membre principal du corps professoral de l’Institut Wyss. C’était particulièrement excitant de voir la myélinisation sur les axones des neurones, car cela a été un défi permanent à reproduire dans des modèles vivants du cerveau. Mooney est également professeur de bioingénierie de la famille Robert P. Pinkas à SEAS.
Tringides poursuit ses travaux sur les échafaudages d’hydrogel conducteur, avec des plans pour étudier plus avant comment différents types de stimulation électrique affectent différents types de cellules, et pour développer une approche plus complète dans le laboratoire Modèle. Elle espère que cette technologie permettra un jour la création d’appareils qui aident à restaurer les fonctions des patients humains souffrant de problèmes neurologiques et physiologiques.
« Ce travail représente une avancée majeure dans la création d’un fichier dans le laboratoire Un microenvironnement avec les bonnes propriétés physiques, chimiques et électriques pour soutenir la croissance et la spécialisation des cellules cérébrales humaines. Ce modèle pourrait être utilisé pour accélérer le processus de recherche de traitements efficaces pour les maladies neurologiques, ainsi que pour ouvrir une approche entièrement nouvelle pour créer des électrodes et des interfaces cerveau-machine plus efficaces qui s’intègrent de manière transparente au tissu neural. Nous sommes ravis de voir où cette intégration innovante de la science des matériaux, de la biomécanique et de l’ingénierie tissulaire nous mènera à l’avenir, a déclaré Don Ingber, directeur fondateur du Wyss Institute, MD. Yehuda Volkman est professeur de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children’s Hospital, W Professeur Hansjörg Wyss de bioingénierie en MERS.
Parmi les autres auteurs figurent Margoline Bollinger de SEAS, Andrew Khalil du Wyss Institute et du Whitehead Institute du MIT, Tenzin Lungjangwa du Whitehead Institute et Rudolf Jaenisch du Whitehead Institute et du MIT.
Source:
Référence de la revue :
TRINGIDES, CM, et coll. (2022) Échafaudages d’hydrogel conducteurs accordables pour la différenciation neuronale. Matériaux de santé avancés. doi.org/10.1002/adhm.202202221.
