De nouveaux outils pour suivre l'activité de cellules électriquement actives

Des chercheur.e.s du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS-CNRS) en collaboration avec une équipe du Centre de physiopathologie de Toulouse Purpan (CPTP), ont développé une bio-plateforme de très haute sensibilité, fabriquée grâce aux techniques conventionnelles de la micro-électronique, permettant le suivi de l'activité électrique et chimique de cellules électrogènes. Ce nouvel outil, publié dans la revue Journal of Physics: Condensed Matter, est prometteur pour mieux comprendre les mécanismes élémentaires impliqués dans la communication neuronale avec une résolution cellulaire, à la fois dans les conditions normales et pathologiques.

La technologie :

Une bio-plateforme de très haute sensibilité, fabriquée à grande échelle grâce aux techniques conventionnelles de la micro-électronique, permettant le suivi de l'activité électrique et chimique de cellules électrogènes sur plusieurs semaines. Cette bio-plateforme combine un réseau de nanosondes basées sur des nanofils verticaux à des nano-capteurs chimiques de type transistor. Ces nano-dispositifs 3D permettent une très grande affinité avec la cellule interfacée tout en étant très peu intrusives de par leurs faibles dimensions.

Les protagonistes:

Une équipe du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS, spécialisée dans la nano-électronique.
Une équipe du Centre de physiopathologie de Toulouse-Purpan, spécialisée dans l'étude des pathogenèses du système nerveux central.

Les atouts technologiques:

Ces nano-dispositifs, composés de sondes et de capteurs chimiques, permettent d'atteindre des résolutions spatiales à l'échelle cellulaire (neurone, cellule cardiaque), voire à l'échelle sub-cellulaire (dendrites).
Ces nano-dispositifs déployés en réseau permettent l'enregistrement simultané de l'activité de plusieurs cellules avec une grande résolution, montrant des rapports signal sur bruit records (jusqu'à 200 fois ceux obtenus avec des configurations d'électrodes conventionnelles).
Cette bio-plateforme est obtenue par la déclinaison de techniques conventionnelles de la micro-électronique, permettant un développement à grande échelle.

Les applications:

L'analyse et la caractérisation de tout type de cellules normales ou pathologiques (neurone, cardiomyocyte, etc.) pour une compréhension accrue des mécanismes élémentaires de leur fonctionnement pouvant ainsi contribuer à un meilleur diagnostic ou l'évaluation de l'efficacité de traitements.

Le projet en quelques dates:

2013: premiers échanges entre des scientifiques du LAAS-CNRS et du CPTP afin d'envisager les applications dans le domaine de la santé des dispositifs nano-électroniques développés par le LAAS-CNRS.
2014: premier projet financé entre les deux laboratoires sur cette thématique.
2016: création du premier prototype fonctionnel.
2017: dépôt d'un brevet autour d'un dispositif original couplant nanosonde électrique et transistor, comme capteur chimique et présentation du concept à la conférence phare en nanoélectronique à San Francisco (International Electron Device Meeting - IEDM 2017)
2018: reconnaissance de la communauté internationale avec la publication de deux articles dans des revues spécialisées (Journal of Physics: Condensed Matter ; Langmuir)

Et ensuite ?

D'un point de vue recherche: l'utilisation de ces bio-plateformes pour l'étude des pathogenèses virales du système nerveux central ou encore des cultures neuronales 3D, dites organoïdes.
D'un point de vue application: le développement de démonstrateur et la commercialisation vers des entreprises spécialisées dans l'electrophysiologie in vitro.

Références publication:
Nanowire based bioprobes for electrical monitoring of electrogenic cells,
A. Casanova, L. Bettamin, C. Blatché, F. Mathieu, H. Martin, D. Gonzalez-Dunia, L. Nicu, G. Larrieu,
Journal of Physics: Condensed Matter 30 (46), 464001 (2018)

Self-Aligned Functionalization Approach to Order Neuronal Networks at the Single-Cell Level,
A. Casanova, C. Blatché, C. Ferre, H. Martin, H. Martin, D. Gonzalez-Dunia, L. Nicu, G. Larrieu,
Langmuir 34, 6612−6620 (2018)

Integration of FinFETs and 3D nanoprobes devices on a common bio- platform for monitoring electrical activity of single neurons,
A. Casanova, C. Blatché, F. Mathieu, L. Bettamin, H. Martin, D. Gonzalez-Dunia, L. Nicu, G. Larrieu,
Proceedings of the 2017 IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM 2017, 26.4. 1-26.4. 4 San Francisco, USA, december 4-6, 2017

Contact chercheur:
Guilhem Larrieu - LAAS-CNRS