Une plateforme intégrée de microfluidique et de fluorescence pour l'étude de la neuropharmacologie in vivo

Neurologie Génie biologique Sciences de la vie Médecine
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Contexte académique

La recherche en neurosciences a fait des progrès significatifs au cours de la dernière décennie, en particulier dans les outils neurotechnologiques et génétiques pour l’analyse des fonctions des circuits neuronaux. Cependant, le développement des méthodes neuropharmacologiques a relativement pris du retard par rapport à ces technologies. Comprendre les mécanismes pharmacologiques précis des composés neuroactifs est essentiel pour faire avancer la recherche fondamentale en neurobiologie et en neuropharmacologie, tout en contribuant au développement de traitements plus efficaces pour les troubles neurologiques et psychiatriques. Cependant, l’intégration des outils modernes d’évaluation de l’activité neuronale dans les réseaux neuronaux à grande échelle avec l’administration localisée de médicaments reste un défi majeur. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé une plateforme bifonctionnelle combinant la microfluidique et la fluorescence, capable de réaliser simultanément l’administration intracrânienne de médicaments et l’enregistrement des dynamiques neuronales dans le cerveau de souris.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Sean C. Piantadosi, Min-Kyu Lee, Mingzheng Wu et d’autres auteurs, issus d’institutions telles que l’Université de Washington, l’Université Northwestern et Neurolux Inc. L’article a été publié le 21 mai 2025 dans la revue Neuron sous le titre An Integrated Microfluidic and Fluorescence Platform for Probing In Vivo Neuropharmacology.

Processus de recherche

1. Conception et fabrication de l’appareil

Les chercheurs ont conçu et fabriqué un dispositif intégrant la microfluidique et la fluorescence. Ce dispositif comprend un système microfluidique miniaturisé sans fil et sans batterie, ainsi qu’une sonde optique, permettant de limiter l’administration de médicaments dans l’espace et le temps tout en enregistrant les signaux fluorescents dépendants de l’activité neuronale à l’aide d’indicateurs de calcium génétiquement encodés (GECIs), de capteurs de neurotransmetteurs et de capteurs de neuropeptides. Le cœur du dispositif est un module microfluidique pesant moins de 0,15 gramme et mesurant 10×13 mm, alimenté sans fil par couplage inductif magnétique à une fréquence de 13,56 MHz.

2. Intégration du système microfluidique et de la sonde optique

Le système microfluidique est composé de deux micropompes, chacune connectée à un canal microfluidique indépendant, intégré dans une sonde flexible en polydiméthylsiloxane (PDMS). La sonde est couplée à une fibre optique, permettant d’enregistrer en temps réel les changements d’activité neuronale après l’administration de médicaments. Les sorties de fluide sont situées au bas de la sonde, assurant une distribution uniforme du médicament sous la fibre optique. De plus, le dispositif peut être configuré avec plusieurs fibres optiques, chacune connectée à un réservoir de médicament distinct, permettant une administration de médicaments et une stimulation lumineuse dans différentes régions du cerveau.

3. Validation expérimentale de l’administration de médicaments et de la détection de fluorescence

Dans des expériences in vitro, les chercheurs ont utilisé un gel d’agarose à 0,6 % pour simuler le tissu cérébral et valider les fonctions d’administration de médicaments et de détection de fluorescence du dispositif. Les résultats ont montré que le processus de diffusion du médicament sous la sonde était achevé en environ 25 secondes, avec un débit moyen d’administration de 1,5 microlitre par minute. Par la suite, les chercheurs ont implanté le dispositif dans le cortex moteur secondaire (M2) de souris anesthésiées pour valider ses capacités d’administration de médicaments et de détection de fluorescence in vivo. Les résultats ont montré que l’administration de fluorescéine isothiocyanate (FITC) augmentait significativement le signal fluorescent, tandis que l’administration de liquide céphalo-rachidien artificiel (ACSF) ne provoquait aucun changement notable.

4. Modulation bidirectionnelle du comportement et de l’activité neuronale

Chez des souris éveillées, les chercheurs ont utilisé le dispositif pour administrer des médicaments et enregistrer l’activité neuronale. Les expériences ont montré que l’administration de l’agoniste des récepteurs AMPA, l’AMPA, augmentait significativement les signaux calciques des neurones du M2 et induisait un comportement de rotation chez les souris. Par la suite, l’administration de l’agoniste des récepteurs GABAA, le Muscimol, réduisait rapidement l’activité des neurones du M2 et rétablissait un comportement normal. Ces résultats montrent que le dispositif peut moduler de manière bidirectionnelle l’activité neuronale et le comportement chez un même animal.

5. Combinaison de la stimulation lumineuse et de la détection des neurotransmetteurs

Les chercheurs ont ensuite combiné le dispositif avec la technologie de stimulation lumineuse pour valider son application dans la détection des neurotransmetteurs. Les expériences ont montré que dans le système noradrénergique, la stimulation lumineuse augmentait significativement les signaux fluorescents du capteur GrabNE2m, tandis que l’administration de l’antagoniste des récepteurs α2-adrénergiques, la Yohimbine, inhibait cet effet. Ces résultats montrent que le dispositif peut combiner la pharmacologie locale, la stimulation lumineuse spécifique aux projections et la détection des neurotransmetteurs, offrant ainsi un nouvel outil pour étudier les fonctions endogènes des systèmes de neurotransmetteurs.

6. Étude des interactions entre systèmes neuromodulateurs

Enfin, les chercheurs ont utilisé le dispositif pour étudier les interactions entre les systèmes de dopamine (DA) et les récepteurs κ-opioïdes (KOR) dans le noyau accumbens (NAc). Les expériences ont montré que l’administration de DA augmentait significativement les signaux fluorescents du capteur GrabDA3m tout en réduisant ceux du capteur Klight1.3b. Ces résultats indiquent que l’augmentation de la concentration de DA réduit la libération de dynorphine, révélant ainsi une interaction dynamique entre les systèmes DA et KOR.

Résultats principaux

  1. Conception et fabrication de l’appareil : Développement réussi d’un dispositif microfluidique-fluorescent sans fil et sans batterie, capable de limiter l’administration de médicaments dans l’espace et le temps tout en enregistrant les signaux fluorescents dépendants de l’activité neuronale.
  2. Administration de médicaments et détection de fluorescence : Les expériences in vitro et in vivo ont validé les fonctions d’administration de médicaments et de détection de fluorescence du dispositif, avec un processus de diffusion du médicament achevé en environ 25 secondes.
  3. Modulation bidirectionnelle du comportement et de l’activité neuronale : L’administration d’AMPA et de Muscimol a significativement modulé l’activité des neurones du M2 et le comportement des souris.
  4. Combinaison de la stimulation lumineuse et de la détection des neurotransmetteurs : La stimulation lumineuse a augmenté significativement les signaux fluorescents du capteur GrabNE2m, tandis que l’administration de Yohimbine a inhibé cet effet.
  5. Interactions entre systèmes neuromodulateurs : L’administration de DA a augmenté significativement les signaux fluorescents du capteur GrabDA3m tout en réduisant ceux du capteur Klight1.3b, révélant une interaction dynamique entre les systèmes DA et KOR.

Conclusion

Cette étude a développé un dispositif intégrant la microfluidique et la fluorescence, capable de limiter l’administration de médicaments dans l’espace et le temps tout en enregistrant les signaux fluorescents dépendants de l’activité neuronale. Ce dispositif peut combiner la pharmacologie locale, la stimulation lumineuse spécifique aux projections et la détection des neurotransmetteurs, offrant ainsi un nouvel outil pour étudier les fonctions endogènes des systèmes de neurotransmetteurs. De plus, le dispositif peut révéler les interactions dynamiques entre les systèmes neuromodulateurs, offrant de nouvelles perspectives pour la recherche en neuropharmacologie.

Points forts de la recherche

  1. Innovation dans la conception de l’appareil : Développement d’un dispositif microfluidique-fluorescent sans fil et sans batterie, capable de limiter l’administration de médicaments dans l’espace et le temps tout en enregistrant les signaux fluorescents dépendants de l’activité neuronale.
  2. Plateforme expérimentale multifonctionnelle : Le dispositif peut combiner la pharmacologie locale, la stimulation lumineuse spécifique aux projections et la détection des neurotransmetteurs, offrant un nouvel outil pour étudier les fonctions endogènes des systèmes de neurotransmetteurs.
  3. Étude des interactions entre systèmes neuromodulateurs : Révélation des interactions dynamiques entre les systèmes DA et KOR, offrant de nouvelles perspectives pour la recherche en neuropharmacologie.

Valeur de la recherche

Le dispositif développé dans cette étude offre un nouvel outil pour la recherche en neuropharmacologie, capable de combiner la pharmacologie locale, la stimulation lumineuse spécifique aux projections et la détection des neurotransmetteurs pour révéler les fonctions endogènes des systèmes de neurotransmetteurs. De plus, le dispositif peut révéler les interactions dynamiques entre les systèmes neuromodulateurs, offrant de nouvelles perspectives pour la recherche en neuropharmacologie. Cette étude a une valeur scientifique et appliquée importante, susceptible de faire avancer la recherche en neuropharmacologie.