Étude sur la dynamique du flux du liquide céphalo-rachidien et son application dans l’administration de médicaments

Contexte

Le liquide céphalo-rachidien (LCR) joue un rôle crucial dans le canal rachidien humain, transportant les nutriments dissous et les déchets. En raison de sa nature pulsatile, le flux du LCR est influencé par les cycles cardiaques et respiratoires. Ces dernières années, avec l’augmentation des besoins en traitement des maladies du système nerveux central (SNC), l’optimisation de l’administration intrathécale (IT) des médicaments est devenue un sujet de recherche important. L’injection intrathécale, en exploitant les propriétés hydrodynamiques du LCR, permet de délivrer directement des molécules thérapeutiques au système nerveux central, améliorant ainsi l’efficacité du traitement.

Cependant, la plupart des modèles de dynamique des fluides computationnelle (CFD) existants sont basés sur des individus ou de petits groupes, et en raison de la variabilité significative de la géométrie du canal rachidien, ces résultats peuvent ne pas être généralisables à une population plus large. Par conséquent, cette étude vise à établir un principe universel pour optimiser les protocoles d’injection intrathécale en évaluant la géométrie de l’espace sous-arachnoïdien rachidien (SAS) de chaque individu, afin d’améliorer l’efficacité et l’efficience de l’administration des médicaments.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Ziyu Wang, Mohammad Majidi, Chenji Li et Arezoo Ardekani, tous issus de l’École de génie mécanique de l’Université Purdue. L’article a été publié en 2024 dans la revue Fluids and Barriers of the CNS, sous le titre “Numerical study of the effects of minor structures and mean velocity fields in the cerebrospinal fluid flow”.

Déroulement de l’étude

1. Objectifs et méthodes de l’étude

L’objectif principal de cette étude est d’identifier un principe universel pour guider la personnalisation des protocoles d’injection intrathécale pour chaque patient. Pour ce faire, les chercheurs ont simulé numériquement les champs de flux pulsatile du LCR et les champs de vitesse lagrangiens dans des géométries typiques de l’espace sous-arachnoïdien rachidien. L’étude a également analysé l’impact des structures anatomiques mineures (comme les racines nerveuses, les ligaments dentelés et la membrane arachnoïdienne ondulée) sur l’administration des médicaments, et a examiné séparément les contributions des mécanismes principaux — l’écoulement stationnaire (Steady Streaming, SS) et la dérive de Stokes (Stokes Drift, SD) — au transport de masse.

2. Construction des modèles géométriques

Les chercheurs ont construit deux modèles géométriques typiques de l’espace sous-arachnoïdien rachidien pour les simulations CFD. Le premier modèle est un tuyau annulaire excentrique avec un diamètre extérieur de 1,8 cm, un diamètre intérieur de 9 mm et une excentricité de 0,5. Le second modèle ajoute au premier des structures simplifiées, telles que les racines nerveuses, les ligaments dentelés et la membrane arachnoïdienne ondulée. Chaque modèle géométrique couvre trois vertèbres, chaque vertèbre ayant une hauteur de 2 cm.

3. Simulations CFD

Les chercheurs ont utilisé le solveur pimpleFoam dans OpenFOAM pour traiter les écoulements instationnaires et incompressibles. La méthode des volumes finis a été utilisée pour les simulations numériques, avec un pas de temps de 0,004 seconde et une taille de maillage maximale de 0,2 mm pour capturer les détails complexes de l’écoulement et de la géométrie. Les simulations ont supposé que la pulsation du LCR était uniquement entraînée par les battements cardiaques, et les conditions aux limites d’entrée ont utilisé un profil de débit temporel ajusté pour assurer que le champ d’écoulement dans la région d’intérêt était représentatif.

4. Analyse des données

En calculant les champs de vitesse eulériens moyens, les champs de dérive de Stokes et les champs de vitesse lagrangiens moyens, les chercheurs ont quantifié les flux ascendants et descendants dans différentes régions. De plus, le nombre de Strouhal a été calculé pour caractériser le nombre de pulsations nécessaires pour transporter une particule de médicament du bas vers le haut d’une vertèbre.

Résultats principaux

1. Impact des structures mineures sur l’écoulement

L’étude a révélé que les structures mineures (comme les racines nerveuses, les ligaments dentelés et la membrane arachnoïdienne ondulée) jouent un rôle clé dans la modulation de la dynamique de l’écoulement et du transport dans l’espace sous-arachnoïdien rachidien. Ces structures peuvent améliorer le transport des fluides, en particulier près des racines nerveuses, où les vitesses de l’écoulement stationnaire et de la dérive de Stokes augmentent de manière significative.

2. Champs de vitesse moyens sur un cycle

Dans le modèle géométrique simplifié, les champs de vitesse eulériens et lagrangiens moyens sur un cycle étaient presque identiques, avec une faible dérive de Stokes. Cependant, dans le modèle géométrique incluant des structures mineures, les champs de vitesse moyens sur un cycle devenaient complexes, avec une dérive de Stokes comparable en magnitude à l’écoulement stationnaire mais de direction opposée, ce qui maintenait l’amplitude globale du champ de vitesse lagrangien à un niveau relativement bas.

3. Optimisation de l’administration des médicaments

Les résultats de l’étude montrent qu’en injectant les médicaments dans la région large du canal rachidien, l’efficacité du transport ascendant des médicaments peut être significativement améliorée. Cette découverte fournit une base importante pour optimiser les protocoles d’injection intrathécale, en exploitant la dynamique naturelle de l’écoulement dans le canal rachidien pour améliorer l’efficacité de l’administration des médicaments.

Conclusion et implications

Cette étude met en lumière le rôle crucial des structures mineures dans la dynamique de l’écoulement et du transport dans l’espace sous-arachnoïdien rachidien, et souligne la nécessité d’utiliser le suivi des particules dans les études computationnelles du transport de masse. L’étude éclaire également la relation complexe entre la géométrie du canal rachidien et la dynamique du transport, offrant de nouvelles perspectives pour optimiser les protocoles d’injection intrathécale. En concevant des protocoles d’injection qui dirigent la majorité du médicament vers la région large où la vitesse lagrangienne moyenne est orientée vers le haut, il est possible d’améliorer significativement l’efficacité et l’efficience du transport des médicaments.

Points forts de l’étude

1. Impact des structures mineures : L’étude a systématiquement analysé pour la première fois l’influence des racines nerveuses, des ligaments dentelés et de la membrane arachnoïdienne ondulée sur l’écoulement du LCR et le transport des médicaments, révélant le rôle clé de ces structures dans l’amélioration du transport des fluides.
2. Utilisation du suivi des particules : L’étude souligne l’importance d’utiliser le suivi des particules dans les études computationnelles du transport de masse, mettant en évidence les différences significatives entre les champs de vitesse eulériens et lagrangiens.
3. Proposition d’un principe universel : L’étude propose un principe universel basé sur la géométrie individuelle du canal rachidien pour optimiser les protocoles d’injection intrathécale, offrant une valeur clinique importante.

Autres informations pertinentes

L’étude note également que les recherches futures devraient valider davantage le principe proposé dans des géométries spécifiques aux patients, et prendre en compte la courbure de la colonne vertébrale, la déformation des tissus et l’influence de la gravité sur l’écoulement du LCR et le transport des médicaments. De plus, l’impact de la respiration et du sommeil sur les modes d’écoulement du LCR devrait être intégré dans les futures recherches.

Grâce à cette étude, nous avons approfondi notre compréhension de la dynamique des fluides dans le canal rachidien et ouvert de nouvelles voies pour le traitement des maladies du système nerveux central.