Une voie plus sûre vers la thérapie par ultrasons

DURHAM, N.C. – Des chercheurs de l’Université Duke ont découvert un moyen d’améliorer l’efficacité et la sécurité de la sonogenèse ou de la modulation ultrasonore, des techniques émergentes utilisant des ondes sonores pour contrôler le comportement des neurones individuels ou favoriser la guérison des tissus.

La thérapie par ultrasons utilise souvent des ondes ultrasonores ciblées pour créer des bulles de cavitation – de minuscules ballons de poches d’air à oscillation rapide qui s’étirent à proximité des membranes cellulaires lorsqu’elles éclatent. Cet étirement peut activer les canaux d’ions calcium, provoquer le déclenchement d’un neurone, ou signaler aux mécanismes de réparation de l’organisme de passer en mode overdrive.

Cependant, si une bulle est trop grande ou trop étroite, la technique peut endommager ou détruire les cellules voisines. Alors que cela peut être le résultat souhaité dans des applications telles que la thérapie du cancer, les chercheurs en sonogénétique veulent généralement éviter les dommages.

Dans une nouvelle étude, les ingénieurs biomédicaux ont découvert qu’en attachant des billes microscopiques à des récepteurs à la surface de la cellule, ils peuvent produire des effets d’étirement cellulaire et de libération du calcium beaucoup plus sûrs.

Les résultats sont apparus en ligne la semaine du 25 décembre 2017 auActes de l’Académie nationale des sciences.

«Pour obtenir des canaux ioniques et des pores dans la membrane d’une cellule à ouvrir, vous devez généralement étirer très fort et très vite», a déclaré Pei Zhong, le professeur Anderson-Rupp de génie mécanique et de la science des matériaux à Duke. “Mais nous avons découvert que la fixation des microbilles à la surface de la cellule amplifie la réponse de la cellule pendant la cavitation et produit le même résultat avec beaucoup moins de risque de blessure cellulaire.”

Produit quand une force crée un vide dans le liquide, les bulles de cavitation peuvent être assez puissantes pour causer des dommages sérieux aux hélices de bateau. Bien que les bulles de cavitation créées pendant les procédures médicales ne soient pas aussi fortes, elles peuvent causer beaucoup de dommages. Et en raison de leur rapidité et de leur caractère aléatoire, il est très difficile d’étudier leurs effets sur les cellules voisines.

La nouvelle étude est la première à utiliser une plate-forme expérimentale construite en 2015 par l’équipe de Zhong pour étudier la sonoporation qui produit de manière fiable des bulles de cavitation en tandem exactement au même endroit à chaque fois. En plaçant différents types de cellules à différentes distances des bulles, les chercheurs peuvent commencer à explorer les détails de la façon dont les cellules répondent.

Pour la première étude de suivi de l’utilisation de la plate-forme, Zhong a choisi d’examiner la signalisation du calcium.

“La signalisation du calcium régule de nombreuses fonctions cellulaires importantes, comme la contraction musculaire, la communication neurale, la transcription génique et la croissance des tissus”, a déclaré Fenfang Li, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zhong et auteur principal de l’étude. “Des études antérieures ont montré que la sonogénèse et la sonoporation provoquent une réponse calcique, ce qui peut déclencher le feu des neurones ou favoriser la cicatrisation dans d’autres cellules, nous voulions donc regarder de plus près.”

Les résultats ont montré que les bulles de cavitation produisent deux types de réponses au calcium: les ondes lentes et les ondes rapides. Mais le plus intéressant, l’étude a montré que les microbilles attachées à la surface de la cellule peuvent capturer une partie de l’énergie des bulles, ce qui les pousse à la surface de la membrane. Ceci fournit une déformation plus localisée – et une réponse de calcium plus forte – d’une onde plus lente et plus molle.

“Cette stratégie peut stimuler les cellules à une distance sûre des bulles de cavitation”, a déclaré Zhong. “L’approche devrait faciliter la tâche des chercheurs pour utiliser la sonogénétique en toute sécurité dans les thérapies humaines.”

Cette étude a été soutenue par les National Institutes of Health (R03-EB017886-01A1, R01-AR48182, R37-DK052985-20) et la National Science Foundation (1638442).

“La Dynamique et les Mécanismes des Vagues de Calcium Intracellulaires provoquées par le Flux de Jets induit par la Bulle Tandem.” Fenfang Li, Chen Yang, Fang Yuan, Defei Liao, Thomas Li, Farshid Guilak et Pei Zhong.PNAS, 2017. DOI: 10.1073 / pnas.1713905115