Une fenêtre sur le cerveau

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Plus de 75.000 tumeurs primaires et métastasiques du cerveau seront diagnostiquées aux Etats-Unis en 2016 [1]. Chaque année, 2,5 millions de lésions cérébrales traumatiques induisent plus de 50.000 décès [2]. Or, une des difficultés majeures de la visualisation précise et du traitement de ces pathologies réside dans ce qu’ils induisent dans la plupart des cas des procédures extrêmement invasives (craniectomie, trépanation).

C’est la raison pour laquelle l’équipe du professeur Guillermo Aguilar, du LTPBA (Laboratory of Transport Phenomena for Biomedical Applications) du Department of Mechanical Engineering de l’Université de Californie à Riverside, s’est lancée dans le projet (Windows on the Brain) pour développer un implant crânien qui permettrait non seulement aux cliniciens d’examiner avec précision certaines parties du cerveau –typiquement, la zone corticale du tissu cervical-, en permettant à des lasers, voire des ondes radioélectriques, de pénétrer lesdites parties, mais aussi de conduire des thérapies associées. Car, de fait, un des problèmes que posent les implants crâniens disponibles sur le marché dans cette perspective est que ceux-ci sont soit métalliques (les implants en titane sont le standard), soit polymériques (polyéther éther cétone –PEEK- ou polyéther cétone cétone –PEKK), et ne produisent pas la combinaison optimale de transparence et de solidité requise pour les thérapies optiques ou l’imagerie cervicale. L’idée à l’œuvre dans WotB est de permettre d’atteinte de cibles par un laser, très compliquée au travers d’un crâne natif, en remplaçant une partie de la voûte crânienne par un implant nc-YSZ (nanocrystalline Yttria-Stabilized Zirconia), puis de réinstaller le cuir chevelu traité avec un agent de clarification optique de manière à assurer une transparence maximale.

Première étape, la fabrication de l’implant se fait à partir du nc-YSZ, celui-ci présentant le triple avantage d’être anisotropique (transparence), de présenter une structure mécanique proche du l’os natif et une biocompatiblité remarquablement élevée. Il s’agit ensuite, avec l’aide d’un laser femtoseconde, de générer des guides d’ondes au sein de l’implant (avec une énergie de l’ordre de 5 nJ par pulsation suffisante pour induire les guides d’ondes optiques).

Un modèle animal étant ensuite nécessaire à la validation de la faisabilité de la procédure, l’équipe du LTPBA a ensuite opéré une cranioplastie sur des os pariétaux droits murins dans le but d’y opérer une tomographie en cohérence optique (TCO) classique. L’expérimentation a démontré une densité photonique accrue dans la partie du cerveau de la souris liée à l’implant par rapport au crâne natif.

La transparence de l’implant validée, celle du cuir chevelu réimplanté posait une autre série de problèmes, les agents de clarification habituellement utilisés dans d’autres contextes par le laboratoire nécessitant une immersion in vivo d’une heure. D’autres agents étaient quant à eux trop visqueux pour une application locale, ou traumatiques et inflammatoires en cas d’injection sous-cutanée. L’équipe du professeur Aguilar a donc conçu un dispositif ad hoc de microaiguilles qui produit des résultats préliminaires intéressants (cf. bibliographie [3] [4] [5] [6]).

Parallèlement, il s’est agi de se confronter plus finement aux problématiques de biocompatibilité et de vascularisation, dans la mesure où d’une part les réponses inflammatoires prolongées induisent une incapacité d’intégration de l’implant dans le tissu, et d’autre part le flux sanguin dans la zone considérée est important pour le processus de réparation et la défense contre l’infection. L’équipe a étudié la microcirculation pendant deux semaines à partir d’un modèle HDWCM (hamster dorsal window chamber model) de manière à quantifier la réponse inflammatoire et l’infection à un niveau microscopique. Là encore, les résultats préliminaires, démontrant que YSZ était toléré par les hamsters et n’affectait ni les diamètres ni les flux microvasculaires d’une part, et ne provoquait ni inflammation, ni infection d’autre part, appellent à des études à plus long terme.

Dernière série de problèmes : l’adhérence bactérienne (principalement E.coli) aux biomatériaux d’implants crâniens est une source courante de formation de biofilm, d’infection et in fine d’échec de l’implantation. Et la faible pénétration des agents antimicrobiens dans le fluide cérébrospinal (ainsi que la résistance de ce type de bactéries aux agents classiques) nécessite d’utiliser d’autres techniques pour combattre et traiter l’infection. L’équipe a donc utilisé un dispositif de lasers médicaux pour résoudre le problème, en cherchant notamment la puissance optimale pour détruire le microfilm en réduisant les effets collatéraux sur le tissu environnant.

In fine, Windows on the Brain constitue une plateforme expérimentale qui permet la distribution de lumière vers le cerveau (ou à l’inverse, le recueil en provenance du cerveau), à la demande, sur de larges portions, et de manière répétée voire chronique, sans recourir à des craniectomies successives pour des études pré-cliniques in vivo à long terme. Ceci sans compter que le projet a, dans son état actuel, tracé la voie vers des développements futurs, sur le couplage des guides d’onde parallèles avec des fibres optiques, le couplage de TCO avec des guides divergents de manière à atteindre des zones du cerveau plus larges ou, sur un plan différent, d’évaluation des réponses d’encapsulation et d’ossointégration de nc-YSZ.


Rédacteur :
- Olivier Tomat, Expert Technique International, San Francisco, olivier.tomat@ambascience-usa.org

Notes

[1Ostrom QT, Gittleman H, Fulop J et al. CBTRUS Statistical Report : Primary Brain and Central Nervous System Tumors Diagnosed in the United States in 2008-2012. Neuro Oncol. 2015 ;17(s4):iv1-iv66

[3Damestani Y et al. Optical Coherence Tomography with nc-YSZ, Nanomedicine : nanotechnology, biology and medicine, 9 (1135-1138), 2013

[4Damestani Y et al. Perfusion Enhancement of Optical Clearing Agents, Lasers Surg Med, 46 (488-498), 2014

[5Damestani Y et al. Laser Bacterial Anti-Fouling of nc-YSZ, Lasers Surg Med, submitted (2015)

[6Damestani Y et al. Inflammatory Response of Implantation of nc-YSZ, Nanomedicine : nanotechnology, biology and medicine, accepted (avril 2016)