Les ondes sonores dans le cerveau

Les tumeurs cérébrales, les hémorragies cérébrales et les troubles neurologiques et psychologiques sont souvent difficiles à traiter par des médicaments. Et même lorsque des médicaments efficaces sont disponibles, ils ont tendance à avoir de graves effets secondaires parce qu'ils circulent dans tout le cerveau et pas seulement dans la zone qu'ils sont censés traiter. Face à cette situation, les chercheuses et chercheurs ont bon espoir de pouvoir un jour proposer une approche plus ciblée qui permettrait d'administrer des médicaments à des endroits très précis. À cette fin, ils et elles sont en train de mettre au point des mini-transporteurs qui peuvent être guidés à travers le dense labyrinthe des vaisseaux sanguins.

Des chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich, de l'Université de Zurich et de l'Hôpital universitaire de Zurich ont réussi pour la première fois à guider des micro-véhicules à travers les vaisseaux sanguins du cerveau d'un animal à l'aide d'ultrasons.

Les ultrasons au lieu du magnétisme

Par rapport à d'autres technologies de navigation telles que celles basées sur les champs magnétiques, les ultrasons offrent certains avantages. Daniel Ahmed, professeur de robotique acoustique à l'ETH Zurich et superviseur de l'étude, explique : «En plus d'être largement utilisés dans le domaine médical, les ultrasons sont sûrs et pénètrent profondément dans le corps.»

Pour leur micro-véhicule, Daniel Ahmed et ses collègues ont utilisé des microbulles remplies de gaz et enduites de lipides - les mêmes substances que celles dont sont constituées les membranes cellulaires biologiques. Les bulles ont un diamètre de 1,5 micromètre et sont actuellement utilisées comme agent de contraste dans l'imagerie par ultrasons.

Les chercheuses et chercheurs viennent de montrer que ces microbulles peuvent être guidées à travers les vaisseaux sanguins. «Étant donné que l'utilisation de ces bulles, ou vésicules, est déjà approuvée chez l'être humain, il est probable que notre technologie sera approuvée et utilisée dans les traitements humains plus rapidement que d'autres types de microvéhicules actuellement en cours de développement», explique Daniel Ahmed. Le Conseil européen de la recherche (CER) lui a accordé une bourse de démarrage en 2019 pour son projet de recherche et de développement de cette technologie.

Un autre avantage des microbulles guidées par ultrasons est qu'elles se dissolvent dans le corps une fois qu'elles ont fait leur travail. Lorsqu'on utilise une autre approche, les champs magnétiques, les microvéhicules doivent être magnétiques, et il n'est pas facile de développer des microvéhicules biodégradables. De plus, les microbulles développées par les chercheurs de l'ETH Zurich sont petites et lisses. «Cela nous permet de les guider facilement le long de capillaires étroits», explique Alexia Del Campo Fonseca, doctorante dans le groupe de Daniel Ahmed et autrice principale de l'étude.

Aller à contre-courant

Au cours des dernières années, Daniel Ahmed et son groupe ont travaillé en laboratoire pour développer leur méthode de guidage des microbulles à travers des vaisseaux étroits. En collaboration avec des scientifiques de l'Université de Zurich et de l'Hôpital universitaire de Zurich, ils et elles ont maintenant testé cette méthode sur des vaisseaux sanguins dans le cerveau de souris. Les bulles sont injectées dans le système circulatoire des rongeurs, où elles sont entraînées dans la circulation sanguine sans aucune aide extérieure. Cependant, les chercheuses et chercheurs ont réussi à utiliser des ultrasons pour maintenir les vésicules en place et les guider dans les vaisseaux cérébraux à contre-courant de la circulation sanguine. Ils et elles ont même réussi à guider les bulles à travers des vaisseaux sanguins alambiqués ou à les faire changer de direction plusieurs fois afin de les diriger vers les branches les plus étroites de la circulation sanguine.

Pour contrôler les mouvements des microvéhicules, les chercheuses et chercheurs ont également fixé quatre petits transducteurs à l'extérieur du crâne de chaque souris. Ces dispositifs génèrent des vibrations dans la gamme des ultrasons, qui se propagent dans le cerveau sous forme d'ondes. À certains endroits du cerveau, les ondes émises par deux ou plusieurs transducteurs peuvent s'amplifier ou s'annuler. Les scientifiques guident les bulles à l'aide d'une méthode sophistiquée qui consiste à ajuster la sortie de chaque transducteur. L'imagerie en temps réel leur montre la direction dans laquelle les bulles se déplacent.

Pour créer l'imagerie de cette étude, les chercheurs et chercheuses ont utilisé la microscopie à deux photons. À l'avenir, elles et ils souhaitent également utiliser les ultrasons eux-mêmes pour l'imagerie et prévoient d'améliorer la technologie des ultrasons à cette fin.

Dans cette étude, les microbulles ne contenaient pas de médicaments. Les scientifiques voulaient d'abord montrer qu'ils et elles pouvaient guider les microvéhicules le long des vaisseaux sanguins et que cette technologie pouvait être utilisée dans le cerveau. C'est là que se trouvent des applications médicales prometteuses, notamment dans le traitement du cancer, des accidents vasculaires cérébraux et des troubles psychologiques. La prochaine étape pour les chercheuses et chercheurs consistera à attacher des molécules médicamenteuses à l'extérieur de l'enveloppe de la bulle pour le transport. Ils et elles souhaitent améliorer l'ensemble de la méthode jusqu'à ce qu'elle puisse être utilisée chez l'être humain, dans l'espoir qu'elle serve un jour de base à la mise au point de nouveaux traitements.