Une nouvelle technique pourrait offrir une approche ciblée pour lutter contre le cancer :il a été démontré que des impulsions d'ultrasons de faible intensité tuent sélectivement les cellules cancéreuses tout en laissant les cellules normales indemnes.

Les ondes ultrasonores – les ondes sonores avec des fréquences plus élevées que celles que les humains peuvent entendre – ont déjà été utilisées comme traitement contre le cancer, bien que dans une approche large :des salves d'ultrasons à haute intensité peuvent réchauffer les tissus, tuant le cancer et les cellules normales dans une zone cible. Maintenant, les scientifiques et les ingénieurs explorent l'utilisation des ultrasons pulsés de faible intensité (LIPUS) dans le but de créer un traitement plus sélectif.

Une étude décrivant l'efficacité de la nouvelle approche dans les modèles cellulaires a été publiée dans Lettres de physique appliquée le 7 janvier. Les chercheurs à l'origine du travail préviennent qu'il est encore préliminaire - il n'a toujours pas été testé sur un animal vivant et encore moins sur un humain, et il reste plusieurs défis clés à relever, mais les résultats jusqu'à présent sont prometteurs.

La recherche a commencé il y a cinq ans lorsque Michael Ortiz de Caltech, Frank et Ora Lee Marble Professeur d'aéronautique et de génie mécanique, s'est demandé si les différences physiques entre les cellules cancéreuses et les cellules saines, comme la taille, épaisseur de paroi cellulaire, et la taille des organites qu'ils contiennent - pourraient affecter la façon dont ils vibrent lorsqu'ils sont bombardés d'ondes sonores et comment les vibrations pourraient déclencher la mort des cellules cancéreuses. "J'ai mes moments d'inspiration, " dit Ortiz avec ironie.

Et donc Ortiz a construit un modèle mathématique pour voir comment les cellules réagiraient à différentes fréquences et impulsions d'ondes sonores. Avec Stefanie Heyden (Ph.D. '14), alors étudiante diplômée, qui est maintenant à l'ETH Zurich, Ortiz a publié un article en 2016 dans le Journal of the Mechanics and Physics of Solids montrant qu'il y avait un écart dans les soi-disant taux de croissance résonnants des cellules cancéreuses et saines. Cet écart signifiait qu'une onde sonore soigneusement réglée pouvait, en théorie, font vibrer les membranes cellulaires des cellules cancéreuses au point de se rompre tout en laissant les cellules saines indemnes. Ortiz a surnommé le processus « oncotripsie » du grec oncos (pour tumeur) et tripy (pour rupture).

Excité par les résultats, Ortiz a demandé et reçu un financement pour poursuivre la recherche dans le cadre de l'Initiative d'innovation Rothenberg de Caltech (RI2), un programme doté lancé avec le financement de feu l'administrateur de Caltech Jim Rothenberg et son épouse, Anne Rothenberg, pour soutenir des projets de recherche à fort potentiel commercial. Ortiz a également recruté la doctorante Erika F. Schibber (MS '16, doctorat '19), dont les recherches ont porté sur l'étude des vibrations sur les satellites, pour travailler sur le projet.

Ortiz a ensuite invité Mory Gharib (Ph.D. '83), Professeur Hans W. Liepmann d'Aéronautique et d'Ingénierie Bioinspirée, assister à une réunion de son groupe de recherche. Gharib, un inventeur prolifique, a guidé de nombreux développements de la recherche du laboratoire au marché. Par exemple, une prothèse de valve cardiaque en polymère qu'il a conçue a été implantée chez un humain pour la première fois en juillet, et il a également créé une application pour smartphone pour surveiller la santé cardiaque; un implant oculaire qu'il a conçu pour prévenir la cécité liée au glaucome a été implanté dans plus de 500 personnes, 000 patients depuis 2012.

Intrigué par le projet, Gharib a présenté l'idée à l'un de ses conseillers, David Mittelstein. En tant qu'étudiant diplômé du programme MD-Ph.D. Programme géré par Caltech et la Keck School of Medicine de l'USC, Mittelstein travaillait déjà sur la valve prothétique en polymère susmentionnée avec Gharib. Mais, dans le projet d'oncotripsie, il y a vu l'opportunité de participer à la recherche depuis sa conception théorique jusqu'à sa preuve de concept.

"Mory et Michael m'ont vraiment donné les moyens de prendre la tête de ce projet, concevoir et construire des moyens de tester la théorie de Michael dans le monde réel, " dit Mittelstein, qui défendra sa thèse à Caltech à la mi-février avant de retourner à l'USC pour terminer son diplôme de médecine.

Mittelstein a réuni une équipe pour s'attaquer au projet, recrutement de l'expert en échographie Mikhail Shapiro, professeur de génie chimique à Caltech. Shapiro a récemment conçu un système qui permet aux ultrasons de révéler l'expression des gènes dans le corps et a conçu des bactéries qui réfléchissent les ondes sonores afin qu'elles puissent être suivies à travers le corps par ultrasons.

Dans le laboratoire Shapiro, Mittelstein a commencé à soumettre le carcinome hépatocellulaire, un cancer du foie fréquent, à diverses fréquences et impulsions d'ultrasons, et mesurer les résultats.

Pendant ce temps, L'administrateur de Caltech, Eduardo A. Repetto (Ph.D. '98) a présenté Ortiz à Peter P. Lee, directeur du département d'immuno-oncologie de City of Hope, un centre de cancérologie et de recherche à Duarte. En tant que médecin-chercheur, Lee est passionné par l'offre de nouveaux traitements aux patients. "Quand j'en ai entendu parler, Je pensais que c'était intrigant et que, si ça a marché, pourrait être une façon révolutionnaire de traiter le cancer, " dit Lee. D'autres chercheurs de City of Hope, dont le postdoc Jian Ye et l'oncologue M. Houman Fekrazad, a également rejoint le projet.

Avec un financement supplémentaire d'Amgen et de l'Initiative de recherche biomédicale Caltech-City of Hope, Mittelstein a construit un instrument pilote à City of Hope pour refléter celui de Caltech, permettant à ses collègues de tester des échantillons sans avoir à les faire aller et venir entre Duarte et Pasadena. Heures supplémentaires, Lee et son équipe de City of Hope ont élargi le répertoire des lignées cellulaires cancéreuses testées, prélèvement d'échantillons sur des humains et des souris pour inclure le cancer du côlon et du sein. Ils ont également testé une variété de cellules humaines saines, y compris les cellules immunitaires, pour vérifier comment le traitement affecte ces cellules.

L'espoir, Lee dit, est que les ultrasons tueront les cellules cancéreuses d'une manière spécifique qui engagera également le système immunitaire et l'incitera à attaquer toutes les cellules cancéreuses restantes après le traitement.

"Les cellules cancéreuses sont assez hétérogènes, même au sein d'une seule tumeur, " Lee explique, "Il serait donc presque impossible de trouver une gamme de paramètres pour l'échographie qui pourrait tuer chaque cellule cancéreuse. Cela laisserait des cellules survivantes qui pourraient provoquer la repousse d'une tumeur."

Plus de 50 millions de cellules meurent chaque jour dans votre corps. La plupart de ces décès surviennent lorsque les cellules vieillissent et meurent naturellement par un processus appelé apoptose. Parfois, cependant, les cellules meurent à la suite d'une infection ou d'une blessure. Un système immunitaire sain peut faire la différence entre l'apoptose et une blessure, ignorant le premier tout en se précipitant sur le site du second pour attaquer tout agent pathogène envahissant.

Si les ultrasons peuvent être utilisés pour provoquer la mort cellulaire d'une manière que le système immunitaire reconnaît comme une blessure, au lieu de l'apoptose, cela pourrait conduire à ce que le site de la tumeur soit inondé de globules blancs qui pourraient attaquer les cellules cancéreuses restantes.

Jusque là, tous les tests ont été effectués sur des cultures cellulaires en boîtes de Pétri, mais l'équipe Caltech-City of Hope prévoit d'étendre les tests aux tumeurs solides et, finalement, animaux vivants. De retour au labo d'Ortiz, Schibber a utilisé les résultats des tests de laboratoire pour affiner les modèles mathématiques, creuser plus profondément pour s'assurer que les chercheurs comprennent exactement comment les ondes sonores tuent les cellules cancéreuses.

"Nous en apprenons davantage sur la façon dont différentes cellules cancéreuses vibrent et subissent des dommages au cours de nombreux cycles d'insonation, un processus que nous appelons 'fatigue cellulaire, '" dit Schibber, qui a soutenu sa thèse sur le sujet en 2019 et est maintenant chercheuse postdoctorale en aérospatiale à Caltech. Dans le laboratoire de Shapiro, Mittelstein a découvert que la formation de minuscules bulles (un processus appelé cavitation) pouvait également causer certains des dommages. Ensemble, ces développements fournissent une base conceptuelle pour comprendre les tendances observées dans les expériences.

Mittelstein espère rester impliqué dans le projet après sa soutenance de thèse mais, par-dessus tout, est impatient de voir la recherche se poursuivre et de conduire un jour à un traitement efficace contre le cancer.

« Il s'agit d'une preuve de concept passionnante pour un nouveau type de thérapie anticancéreuse qui n'exige pas que le cancer ait des marqueurs moléculaires uniques ou qu'il soit localisé séparément des cellules saines pour être ciblé. Au lieu de cela, nous pourrons peut-être cibler les cellules cancéreuses sur la base de leurs propriétés physiques uniques, " il dit.

Les Lettres de physique appliquée L'article s'intitule « Ablation sélective de cellules cancéreuses avec des ultrasons pulsés de faible intensité ». Les co-auteurs incluent Ankita Roychoudhury, étudiante de premier cycle de Caltech et Leyre Troyas Martinez, un étudiant de premier cycle travaillant sur une bourse de recherche d'été de premier cycle Caltech (SURF).