Jiuyun Shi tient un petit appareil qu'il a inventé avec une équipe de scientifiques de l'Université de Chicago et qui intègre des cellules vivantes, du gel et des capteurs pour créer une « bioélectronique vivante » pour guérir la peau. Crédit : Jiuyun Shi et Bozhi Tian/Université de Chicago
Les scientifiques développent un patch flexible, adaptable et stockable qui combine des bactéries et des capteurs pour s'interfacer avec le corps.
Les chercheurs ont créé une « bioélectronique vivante », un dispositif combinant cellules, gel et électronique pour surveiller et traiter les affections cutanées. Testé sur des souris, le dispositif réduit l’inflammation et présente un potentiel pour des applications médicales plus larges. L’équipe travaille à commercialiser la technologie.
Depuis de nombreuses années, le laboratoire du professeur Bozhi Tian explore la manière de fusionner les domaines de l'électronique (généralement rigide, métallique et volumineux) avec la nature douce, flexible et délicate du corps humain. Dans leurs recherches les plus récentes, ils ont créé un prototype pour ce qu’ils appellent la « bioélectronique vivante » : une combinaison de cellules vivantes, de gel et d’électronique pouvant s’intégrer aux tissus vivants.
Les patchs sont constitués de capteurs, de cellules bactériennes et d’un gel à base d’amidon et de gélatine. Des tests sur des souris ont montré que les appareils pouvaient surveiller et améliorer en permanence les symptômes de type psoriasis, sans irriter la peau.
« Il s'agit d'un pont avec la bioélectronique traditionnelle, qui intègre des cellules vivantes dans la thérapie », a déclaré Jiuyun Shi, co-premier auteur de l'article et ancien doctorant dans le laboratoire de Tian (maintenant à l'Université de Stanford).
« Nous sommes très excités parce que cela a pris une décennie et demie en préparation », a déclaré Tian.
Les chercheurs espèrent que ces principes pourront également être appliqués à d’autres parties du corps, comme la stimulation cardiologique ou neuronale. L'étude est publiée le 30 mai dans Science.
Une troisième couche
Associer l’électronique au corps humain a toujours été difficile. Bien que des appareils comme les stimulateurs cardiaques aient amélioré d’innombrables vies, ils ont leurs inconvénients ; les appareils électroniques ont tendance à être volumineux et rigides et peuvent provoquer des irritations.
Mais le laboratoire de Tian se spécialise dans la découverte des principes fondamentaux qui sous-tendent la façon dont les cellules et les tissus vivants interagissent avec les matériaux synthétiques ; leurs travaux antérieurs comprenaient un minuscule stimulateur cardiaque qui peut être contrôlé avec des matériaux légers et solides mais flexibles qui pourraient constituer la base des implants osseux. Dans cette étude, ils ont adopté une nouvelle approche. En règle générale, la bioélectronique se compose des composants électroniques eux-mêmes, plus une couche douce pour les rendre moins irritants pour le corps.
Mais le groupe de Tian s'est demandé s'il était possible d'ajouter de nouvelles capacités en intégrant un troisième composant : les cellules vivantes elles-mêmes. Le groupe était intrigué par les propriétés curatives de certaines bactéries telles que S. épidermidisun microbe qui vit naturellement sur la peau humaine et dont il a été démontré qu'il réduit l'inflammation.
Un patch ultra fin intègre un circuit électronique flexible, un gel à base d'amidon de tapioca et de gélatine, ainsi que de bonnes bactéries qui aident à traiter les affections cutanées. Crédit : Jiuyun Shi et Bozhi Tian/Université de Chicago
Ils ont créé un appareil composé de trois composants. Le cadre est un circuit électronique fin et flexible doté de capteurs. Il est recouvert d'un gel créé à partir d'amidon de tapioca et de gélatine, qui est ultradoux et imite la composition du tissu lui-même. Dernièrement, S. épidermidis les microbes sont cachés dans le gel. Lorsque l'appareil est placé sur la peau, les bactéries sécrètent des composés qui réduisent l'inflammation, et le capteur surveille la peau à la recherche de signaux tels que la température et l'humidité de la peau.
Lors de tests effectués sur des souris sujettes à des affections cutanées de type psoriasis, une réduction significative des symptômes a été constatée.
Leurs tests initiaux ont duré une semaine, mais les chercheurs espèrent que le système – qu’ils appellent la plateforme ABLE, pour Active Biointegrated Living Electronics – pourra être utilisé pendant six mois ou plus. Pour rendre le traitement plus pratique, ont-ils déclaré, le dispositif peut être lyophilisé pour le stockage et facilement réhydraté en cas de besoin.
Puisque les effets curatifs sont fournis par des microbes, « c'est comme un médicament vivant : vous n'avez pas besoin de le recharger », a déclaré Saehyun Kim, l'autre co-premier auteur de l'article et actuellement doctorant dans le laboratoire de Tian.
Applications plus larges et objectifs futurs
En plus de traiter le psoriasis, les scientifiques peuvent envisager des applications telles que des patchs pour accélérer la cicatrisation des patients diabétiques.
Ils espèrent également étendre l’approche à d’autres types de tissus et types de cellules. « Par exemple, pourriez-vous créer un insuline-un appareil producteur, ou un appareil qui s'interface avec les neurones ? dit Tian. « Il existe de nombreuses applications potentielles. »
Tian a déclaré qu’il s’agissait d’un objectif qu’il nourrissait depuis qu’il était chercheur postdoctoral il y a près de 15 ans, lorsqu’il a commencé à expérimenter avec des « tissus cyborgs ».
« Depuis lors, nous avons beaucoup appris sur des questions fondamentales, telles que la manière dont les cellules interagissent avec les matériaux ainsi que la chimie et la physique des hydrogels, ce qui nous permet de faire ce grand pas », a-t-il déclaré. « Le voir devenir réalité a été merveilleux. »
« Ma passion a toujours été de repousser les limites de ce qui est possible en science », a déclaré Shi. « J'espère que notre travail pourra inspirer la prochaine génération de conceptions électroniques. »
D'autres auteurs d'articles avec le Université de Chicago Parmi eux, Pengju Li, Chuanwang Yang, Ethan Eig, Lewis Shi et Jiping Yue, ainsi que des scientifiques de l'Université Rutgers et Université de Colombie.
Les chercheurs ont utilisé l’installation de caractérisation de la matière molle et l’installation de nanofabrication Pritzker de l’Université de Chicago. Ils travaillent également avec le Centre Polsky pour l'entrepreneuriat et l'innovation pour commercialiser la technologie.
