Des chercheurs de l'Université Duke ont découvert un moyen d'améliorer l'efficacité et la sécurité de la sonogénétique ou de la modulation ultrasonore, des techniques émergentes qui utilisent des ondes sonores pour contrôler le comportement de neurones individuels ou pour favoriser la croissance des tissus et la cicatrisation des plaies dans d'autres cellules.

La thérapie par ultrasons utilise souvent des ondes ultrasonores ciblées pour créer des bulles de cavitation, de minuscules ballons de poches d'air oscillant rapidement qui étirent les membranes cellulaires voisines lorsqu'elles éclatent. Cet étirement peut activer les canaux ioniques calciques, provoquant le déclenchement d'un neurone, ou peut signaler aux mécanismes de réparation du corps de passer en mode overdrive.

Si une bulle est trop grosse ou trop proche, cependant, la technique peut endommager ou détruire les cellules voisines. Bien que cela puisse être le résultat souhaité dans des applications telles que le traitement 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 l'étirement cellulaire de la technique, effets libérant du calcium de manière beaucoup plus sûre.

Les résultats sont apparus en ligne la semaine du 25 décembre, 2017 dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Pour ouvrir les canaux ioniques et les pores de la membrane cellulaire, vous devez généralement l'étirer très fort et très rapidement, " dit Pei Zhong, le professeur Anderson-Rupp de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Mais nous avons découvert que la fixation de 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 lésion cellulaire."

Produit lorsqu'une force crée un vide dans le liquide, les bulles de cavitation peuvent être suffisamment puissantes pour endommager gravement les hélices des navires. Bien que les bulles de cavitation créées pendant les procédures médicales ne soient pas si fortes, ils peuvent encore causer beaucoup de dégâts. Et en raison de leur vitesse 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 que l'équipe de Zhong a construite en 2015 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 réponse des cellules.

Pour la première étude de suivi à utiliser la plateforme, Zhong a choisi d'examiner la signalisation du calcium.

"La signalisation calcique régule de nombreuses fonctions cellulaires importantes, comme la contraction musculaire, communication neuronale, transcription des gènes et croissance des tissus, " dit Fenfang Li, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zhong et auteur principal de l'étude. "Des études antérieures ont montré que la sonogénétique et la sonoporation provoquent une réponse calcique, ce qui peut déclencher le feu des neurones ou favoriser la guérison dans d'autres cellules, nous avons donc voulu regarder de plus près."

Les résultats ont montré que les bulles de cavitation produisent en fait deux types de réponses calciques :des ondes lentes et des ondes rapides. Mais le plus intéressant, l'étude a montré que les microbilles attachées à la surface de la cellule peuvent capter une partie de l'énergie des bulles afin qu'elles tirent sur la surface de la membrane. Cela fournit une déformation plus localisée - et une réponse calcique plus forte - à partir d'un vague plus douce.

"Cette stratégie permet de stimuler les cellules à bonne distance des bulles de cavitation, ", a déclaré Zhong. "L'approche devrait permettre aux chercheurs d'utiliser en toute sécurité la sonogénétique dans les thérapies humaines."