Contrôle de cavitation in-vivo : application à l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique – CARIBBBOU

Nous nous proposons de mettre au point un générateur de cavitation contrôlée pour la thérapie cellulaire par ultrasons, et plus particulièrement pour l’ouverture ultrasonore de la BHE. Une première partie de la recherche portera sur la conception d’un contrôle de cavitation basé sur la détection acoustique du nuage de bulles et sur une quantification des activités d’oscillation et d’implosion des bulles. Une fois établis les critères appropriés pour chaque régime de cavitation stable ou inertielle, la régulation en temps réel sera mise en œuvre sur différentes configurations de sources ultrasonores adaptées aux applications in vitro et in vivo. Dans un deuxième temps, les mécanismes physiques précis liés à la cavitation et qui permettent l’ouverture de la BHE et la transfection dans le cerveau seront clarifiés en utilisant des cellules particulières, connue comme modèle pertinent de la perméabilité de la BHE. Les changements dans la prolifération cellulaire et l’internalisation moléculaire seront suivis par vidéo-microscopie sur un tapis de culture cellulaire. Le mécanisme de pénétration intracellulaire sera exploré à travers l’étude de trois principales voies endocytaires et des modifications de l’expression génique induite par les ultrasons. Enfin, le dispositif de cavitation contrôlé sera testé en termes d’ouverture de la BHE sur un modèle de petit animal, pour la délivrance d’ADN dans le parenchyme cérébral. Afin d’améliorer l’expression génique, l’utilisation de polymères spécifiques pour contrôler la durée d’expression sera envisagée. L’efficacité de la délivrance de molécules dans le cerveau par cavitation ultrasonore focalisée et contrôlée en temps réel sera évaluée in vivo sur un modèle animal de maladie neurodégénérative.

Des études expérimentales et théoriques ont permis de mettre en évidence l'origine de la composante sous-harmonique d'un nuage de bulles à la fois en prenant en compte les interactions entre bulles de cavitation et leurs potentielles oscillations de surface. Cette composante sous-harmonique a été utilisée comme indicateur cible d'une stratégie de contrôle temps réel permettant de réguler au sein d'un tir ultrasonore l'émission de cette composante fréquentielle caractéristique de l'oscillation des bulles de cavitation ultrasonore. L'efficacité et grande sensibilité de cet indicateur a été démontré expérimentalement par sa corrélation avec l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Un modèle murin de maladie de Parkinson a ensuite été développé pour généraliser les tests expérimentaux sur l'efficacité d'une séquence ultrasonore contrôlée dans le traitement de cette maladie.

A ce stade, il est espéré mieux contrôler la reproductibilité des essais ultrasonores, ainsi que leur efficacité, et ce grâce au contrôle de cavitation in-vivo.

1. Experimental evidence of nonlinear interactions between spherical and nonspherical oscillations of microbubbles. M Guedra, C Inserra, C Mauger, B Gilles. Physical Review E, 94: 053115, 2016.
2. A derivation of the stable cavitation threshold accounting for bubble-bubble interactions. M. Guedra, C. Cornu, C. Inserra. Ultrasonics Sonochemistry, 38: 168-173, 2017.
3. Real-time monitoring and control of cavitation activity for enhancing ultrasound transfection and bubble-cell interactions. C. Inserra, JC. Bera, P. Muleki-Seya, WS Chen. 16th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Tel Aviv, Israel, March 14-16, 2016.
4. Real-time control of the stable cavitation activity in free- and vessel-confined bubble cloud. C Cornu, M Guedra, JC Bera, WS Chen HL Liu, C Inserra. 17th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Nanjing, China, May 31- June 2, 2017
5. An acoustic emission-feedback planar ultrasound system for localized blood-brain barrier opening and monitoring. YX Lin, YC Lin, C Inserra, WS Chen, HL Liu. 17th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Nanjing, China, May 31- June 2, 2017
6. Development of an a-synuclein (SNCA)-based mouse model for Parkinson’s disease by ultrasound-guide CNS Delivery. CY Lin, YC Lin, HL Liu. 17th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Nanjing, China, May 31- June 2, 2017
7. Real-time monitoring and control of stable cavitation activity in pulsed sonication. C. Cornu, M Guédra, JC Béra, C Inserra. 173rd Meeting of the Acoustical Society of America and the 8th Forum Acusticum, Boston, USA, June 25-29, 2017

Contexte scientifique : La barrière hémato-encéphalique (BHE), qui protège le système nerveux central (SNC) des agents pathogènes, toxiques ou indésirables présents dans la circulation sanguine, constitue un obstacle aux traitements médicamenteux de nombreuses maladies neurologiques. Il a été montré que l’utilisation d’ultrasons, en présence de microbulles qui facilitent localement la cavitation dans les capillaires, pouvait permettre d’augmenter significativement la pénétration de molécules dans le SNC, par une ouverture temporaire de la BHE. Cette technique est donc extrêmement prometteuse pour les traitements pharmacologiques dans le cerveau, notamment pour la mise en œuvre de chimiothérapies dans le cas de tumeurs cérébrales. Cependant, pour appliquer cette technique, il est crucial de comprendre les mécanismes d’action des ultrasons et de la cavitation ultrasonore sur les cellules endothéliales et sur l’ouverture de la BHE, et d’être capable de contrôler les différents aspects de ce phénomène de cavitation pour pouvoir activer ces mécanismes. Etant donnée la complexité des phénomènes de cavitation et de délivrance médicamenteuse dans le SNC, il nous apparaît important (i) de savoir suivre et contrôler in-vitro et in-vivo l’activité de cavitation acoustique, (ii) d’étudier l’effet de stimulations ultrasonores contrôlées sur une monocouche cellulaire modèle simulant la BHE, et (iii) d’évaluer in vivo l’ouverture de la BHE dans des cas de cavitation contrôlée.
Description du projet : Nous nous proposons de mettre au point un générateur de cavitation contrôlée pour la thérapie cellulaire par ultrasons, et plus particulièrement pour l’ouverture ultrasonore de la BHE. Une première partie de la recherche portera sur la conception d’un contrôle de cavitation basé sur la détection acoustique du nuage de bulles et sur une quantification des activités d’oscillation et d’implosion des bulles. Une fois établis les critères appropriés pour chaque régime de cavitation stable ou inertielle, la régulation en temps réel sera mise en œuvre sur différentes configurations de sources ultrasonores adaptées aux applications in vitro et in vivo. Dans un deuxième temps, les mécanismes physiques précis liés à la cavitation et qui permettent l’ouverture de la BHE et la transfection dans le cerveau seront clarifiés en utilisant des cellules particulières, connue comme modèle pertinent de la perméabilité de la BHE. Les changements dans la prolifération cellulaire et l’internalisation moléculaire seront suivis par vidéo-microscopie sur un tapis de culture cellulaire. Le mécanisme de pénétration intracellulaire sera exploré à travers l’étude de trois principales voies endocytaires et des modifications de l’expression génique induite par les ultrasons. Enfin, le dispositif de cavitation contrôlé sera testé en termes d’ouverture de la BHE sur un modèle de petit animal, pour la délivrance d’ADN dans le parenchyme cérébral. Afin d’améliorer l’expression génique, l’utilisation de polymères spécifiques pour contrôler la durée d’expression sera envisagée. L’efficacité de la délivrance de molécules dans le cerveau par cavitation ultrasonore focalisée et contrôlée en temps réel sera évaluée in vivo sur un modèle animal de maladie neurodégénérative.
Résultats attendus : L’approche proposée devrait permettre d’améliorer les effets biologiques des ultrasons, en contrôlant le comportement chaotique du phénomène de cavitation. Les paramètres acoustiques et biophysiques pertinents pour stimuler l’internalisation et modifier le comportement cellulaire seront mis en évidence. En permettant le contrôle du phénomène de cavitation ultrasonore et des effets biologiques induits, ce projet et les dispositifs technologiques conçus pour les applications in vivo ont pour ambition d’élargir le potentiel d’application de la thérapie ultrasonore, notamment vers le traitement de maladies neurologiques actuellement incurables, avec à long terme un réel impact sociétal.