Exploration des mécanismes d'interaction bulle-cellule induits par ultrasons au niveau moléculaire : étude théorique et expérimentale – Bubble-Cell

Les microbulles de cavitation ultrasonore génèrent des forces hydrodynamiques dans le liquide environnant, ce qui permet de perméabiliser des barrières biologiques et la délivrance ciblée d’agents thérapeutiques. Ce phénomène est à la base de la sonoporation, une technique qui s'est révélée prometteuse pour l'administration d'un large éventail de traitements in vitro et in vivo : chimiothérapies, antibiotiques, et immunothérapies. Plusieurs essais cliniques ciblant le cancer, des troubles neurologiques et des maladies cardiovasculaires sont actuellement en cours. Cependant, malgré ces avancées, la sonoporation n'a pas encore été largement adoptée comme pratique clinique.
Ce projet vise à relever un défi du domaine : comprendre l'interaction complexe entre microbulles et réponse cellulaire. Cette compréhension est essentielle au développement de protocoles standardisés et à l’optimisation des séquences ultrasonores. Cela permettra en retour d'améliorer l'efficacité de l'administration de médicaments, de minimiser les effets secondaires et, à terme, d'améliorer l'applicabilité clinique de la sonoporation.
Pour y parvenir, le projet propose deux objectifs principaux : (i) développer un cadre intégré combinant simulations numériques et expériences de mécanique cellulaire quasi-statiques et dynamiques pour étudier les interactions bulle-cellule à des différentes échelles spatio-temporelles. (ii) utiliser ce cadre pour élucider les mécanismes moléculaires par lesquels la cavitation des bulles augmente la perméabilité membranaire et l'internalisation de médicaments via la déformation cellulaire et la formation de pores.
Trois institutions partenaires apporteront une expertise complémentaire, couvrant les aspects clés du projet. Le consortium développera des modèles cellulaires numériques, calibrés et validés à l'aide d'expériences de mécanique cellulaire en quasi-statiques et en dynamique. En parallèle, des dispositifs microfluidiques innovants permettront l’étude des interactions bulle/cellule at l’échelle micrométrique. Une méthode de simulation des interactions entre bulle en oscillation non sphérique et cellule sera également développée.
Une fois les modèles et les dispositifs établis, des simulations et expériences seront menées pour explorer les mécanismes d'interaction bulle-cellule. Les paramètres clés (séquence ultrasonore, régime de cavitation, taille de bulles) seront identifiés à partir de la littérature à l’aide de méthodes d’apprentissage. La comparaison entre résultats de simulation et expérimentaux fournira des informations essentielles sur : (i) la dynamique des microbulles et les forces hydrodynamiques associées, (ii) la réponse cellulaire (déformation, formation de pores) à différentes échelles spatiotemporelles, et (iii) comment ces interactions impactent l'efficacité de l'administration des médicaments.
Ces connaissances permettront d'expliquer les divergences entre les études in vitro, in vivo et théoriques, et de clarifier la variabilité des résultats d'administration de médicaments décrits dans la littérature. De plus, le cadre numérique et les dispositifs microfluidiques permettront d'explorer rapidement le vaste espace paramétrique de la sonoporation, guidant la conception expérimentale et accélérant le développement de technologies d'administration de médicaments par ultrasons. Un meilleur pouvoir prédictif, une réduction des doses de médicaments, la diminution des effets secondaires et la diminution des déchets médicaux contribueront à de meilleurs résultats thérapeutiques et à une baisse des coûts de santé.
Au-delà des avancées scientifiques, les connaissances issues des techniques de simulation, de la mécanique cellulaire et de la conception de dispositifs seront intégrées au MOOC sur les ultrasons thérapeutiques de l'Université de Lyon, rendant ainsi la recherche de pointe accessible aux étudiants, aux scientifiques et aux professionnels de santé du monde entier.