Ondes ultrasonores dans les tumeurs via irradiation par aiguille pour une médecine précise

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 6513 (2022) Citer cet article

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Fondées sur les interactions interdisciplinaires entre la physique et les sciences biologiques, les stratégies de diagnostic et de traitement basées sur la médecine de précision ont récemment attiré une grande attention en raison de l'applicabilité réelle de nouvelles approches techniques dans de nombreux domaines médicaux, en particulier en oncologie. Dans ce cadre, l’utilisation d’ultrasons utilisés pour attaquer les cellules cancéreuses des tumeurs afin de provoquer d’éventuels dommages mécaniques à différentes échelles a reçu une attention croissante de la part des chercheurs et des scientifiques du monde entier. Fort de ces considérations, sur la base de solutions élastodynamiques ad hoc et de simulations numériques, nous proposons une étude pilote de modélisation in silico de la propagation des ondes ultrasonores à l'intérieur des tissus, dans le but de sélectionner les fréquences et puissances appropriées à irradier localement à travers une nouvelle plateforme téragnostique basée sur la technologie Lab-on-Fiber, baptisée hôpital à l'aiguille et déjà objet d'un brevet. Il est estimé que les résultats et les connaissances biophysiques associées tirées des analyses pourraient ouvrir la voie à l'envisagement de nouvelles approches diagnostiques et thérapeutiques intégrées qui pourraient jouer un rôle central dans les applications futures de la médecine précise, à partir de la synergie croissante entre la physique, l'ingénierie et la biologie.

La nécessité de réduire les effets collatéraux pour les patients a progressivement occupé une place prépondérante dans l’optimisation d’une vaste catégorie d’applications cliniques. Dans ce but, la médecine de précision1,2,3,4,5 est devenue un objectif stratégique pour réduire les doses de médicaments délivrées au patient en suivant essentiellement deux approches principales. Le premier repose sur des traitements conçus en fonction des caractéristiques génomiques du patient. La seconde vise à éviter une procédure systémique de délivrance de médicaments en essayant de libérer des quantités mineures de médicaments mais avec une plus grande précision en exploitant également des traitements localisés, qui deviennent la référence en oncologie. L’objectif ultime est d’annuler ou du moins de minimiser les effets secondaires négatifs de nombreuses approches thérapeutiques, telles que l’administration systémique de médicaments chimiothérapeutiques ou radionucléides. Même la radiothérapie peut comporter des risques intrinsèques élevés pour les tissus sains, en fonction du type de cancer, de sa localisation, de la dose de rayonnement et d'autres facteurs. Dans le traitement du glioblastome6,7,8,9, la chirurgie réussit à éliminer le cancer principal, mais même en l’absence de métastases, de nombreuses petites infiltrations cancéreuses peuvent être présentes. Si elles ne sont pas complètement éliminées, de nouvelles masses cancéreuses peuvent se régénérer dans un laps de temps relativement court. Dans ce cas, les stratégies de médecine de précision mentionnées ci-dessus sont très difficiles à appliquer car ces infiltrations sont difficiles à détecter et sont réparties sur une région assez vaste. Ces obstacles entravent la possibilité d'obtenir un résultat définitif empêchant toute récidive grâce à la médecine de précision, de sorte qu'une approche systémique d'administration de médicaments est cependant préférée dans plusieurs circonstances, bien que les médicaments utilisés puissent avoir un niveau de toxicité extrêmement élevé. Pour surmonter ce problème, une thérapie idéale impliquerait l’adoption de stratégies mini-invasives capables d’attaquer sélectivement les cellules cancéreuses en préservant les tissus sains. Dans cette ligne d’argumentation, une solution possible semble être offerte par l’utilisation des vibrations ultrasonores, dont il a été démontré qu’elles ont un effet différent sur le cancer et les cellules saines, à la fois dans les systèmes unicellulaires et dans les amas cellulaires hétérotypiques à la méso-échelle10, 11,12.

D'un point de vue mécanique, les cellules saines et cancéreuses présentent en effet des fréquences de résonance naturelles distinctes. Cette propriété est associée à une altération tumorigène des propriétés mécaniques des structures du cytosquelette des cellules cancéreuses12,13, selon lesquelles les cellules tumorales sont, en moyenne, plus déformables que les cellules normales. Par conséquent, grâce au choix optimal de la fréquence de stimulation ultrasonore, les oscillations induites dans une zone sélectionnée pourraient endommager les structures cancéreuses vivantes en minimisant les effets sur l’environnement de l’hôte sain. Ces effets pas encore complètement compris pourraient inclure la perturbation de certains composants structurels cellulaires en raison des vibrations à haute fréquence dues aux ultrasons (en principe, très similaires à la lithotritie14) ainsi que des dommages cellulaires induits par des phénomènes de type fatigue mécanique, qui pourraient à leur tour modifier le programme cellulaire et la mécanobiologie. Bien que cette solution théorique semble très appropriée, elle n'a malheureusement pas pu être adoptée dans les cas où des structures biologiques anéchoïques empêchent l'administration directe d'ultrasons, comme dans les applications intracrâniennes, en raison de la présence d'os, ainsi que pour certaines masses tumorales du sein. placés dans des positions où l'atténuation du tissu adipeux pourrait limiter l'efficacité thérapeutique potentielle. Pour surmonter ces problèmes, une application localisée d'ultrasons est nécessaire au moyen de sondes conçues ad hoc, capables d'atteindre le site d'irradiation de la manière la plus mini-invasive possible. Dans cette optique, nous avons pensé tirer profit d’une idée liée à la possibilité de créer une plateforme technologique innovante, appelée « l’hôpital dans l’aiguille »15. Le concept « hôpital dans l'aiguille » envisage le développement d'un outil médical mini-invasif pour des applications de diagnostic et de thérapie, basé sur l'intégration de différentes fonctionnalités dans une seule aiguille médicale. Comme expliqué plus en détail dans la section « L'hôpital dans l'aiguille », un tel dispositif compact s'appuie principalement sur les avantages offerts par les sondes à fibre optique16,17,18,19,20,21, qui, grâce à leurs caractéristiques intrinsèques, sont adaptées à insérer dans la lumière d’une aiguille médicale standard20,22. En exploitant la flexibilité offerte par la technologie Lab-on-Fiber (LOF)23, les fibres optiques émergent en fait comme des plates-formes uniques pour la réalisation de dispositifs miniaturisés et plug-and-play pour le diagnostic et la thérapie, y compris les biopsies liquides et tissulaires. sur la détection de biomolécules pertinentes24,25, l'administration localisée de médicaments contrôlée par la lumière26,27, l'imagerie par ultrasons localisés de haute précision28, les traitements thermiques29,30 et la reconnaissance des tissus cancéreux basée sur la spectroscopie optique31. Dans ce cadre, en profitant de l'approche localisée qui est à la base du dispositif « hôpital dans l'aiguille », nous avons étudié la possibilité de conduire des ondes ultrasonores à l'intérieur de la zone d'intérêt en exploitant leur propagation à travers l'aiguille, optimisant ainsi la stimulation localisée des structures biologiques résidentes. De cette manière, il est possible d'appliquer directement des ultrasons thérapeutiques de faible intensité et peu invasifs dans les régions à risque pour soniquer les cellules ainsi que de petites masses solides dans les tissus mous, comme dans le cas susmentionné des opérations intracrâniennes, dans lesquelles un petit trou à l'intérieur le crâne est nécessaire pour permettre l'insertion de l'aiguille. Motivée par des résultats théoriques récents et des découvertes expérimentales indiquant que les ultrasons pourraient potentiellement arrêter ou retarder le développement de certains types de cancer32,33,34, l'approche proposée pourrait s'avérer déterminante pour résoudre, du moins en principe, le compromis critique entre le caractère invasif et l’impact du traitement. Dans le cadre de ces considérations, dans le présent travail, nous avons exploré la possibilité d’utiliser l’hôpital dans le dispositif à aiguille pour une thérapie anticancéreuse mini-invasive par ultrasons. Plus précisément, dans la section « Analyse de diffusion des masses tumorales sphériques pour estimer les fréquences ultrasonores dépendantes de la croissance », nous utilisons des méthodes bien établies d'élastodynamique et la théorie de la diffusion acoustique pour prédire les fréquences de résonance des tumeurs solides sphéroïdales cultivées dans des environnements élastiques pour piloter l'oscillation de l'actionneur, en exploitant les écarts de rigidité se développant entre la tumeur et les tissus hôtes à la suite du remodelage du matériau induit par la croissance. Après avoir décrit dans la section « L'hôpital dans l'aiguille » le système que nous appelons « l'hôpital dans l'aiguille », nous analysons dans la section « Une configuration d'aiguille pour le guidage par ultrasons » la propagation des ondes ultrasonores aux fréquences prédites à travers une aiguille médicale et leur irradiation du milieu environnant à l'aide d'un modèle numérique afin d'examiner les principaux paramètres géométriques (en fait le diamètre intérieur, la longueur et le tranchant de l'aiguille) qui influencent la transmission de la puissance acoustique de l'instrument. À la lumière de la nécessité de concevoir de nouvelles stratégies techniques pour une médecine précise, il semble que l'étude proposée pourrait aider à concevoir un nouvel outil de traitement du cancer basé sur l'utilisation d'ultrasons administrés via une plateforme téragnostique intégrée qui combine la sonication avec d'autres solutions. , comme l'administration ciblée de médicaments et les diagnostics en temps réel, avec une seule aiguille.