Application d’un modèle in vitro automatisé dans la recherche sur l’hydrocéphalie

Contexte

L’hydrocéphalie est une maladie neurologique causée par l’accumulation de liquide céphalo-rachidien (LCR) dans les ventricules cérébraux. Si elle n’est pas traitée, elle peut entraîner des complications graves et des lésions cérébrales permanentes. Selon les statistiques, 1 enfant sur 500 naît avec une hydrocéphalie. Malgré des décennies d’efforts pour améliorer les traitements, les systèmes de dérivation (shunts) utilisés pour traiter l’hydrocéphalie ont un taux d’échec élevé : 50 % des shunts échouent dans les deux ans, et 85 % dans les dix ans. La principale cause d’échec est l’obstruction des cathéters, ce qui oblige les patients à subir de multiples interventions chirurgicales, augmentant ainsi leur souffrance et les coûts médicaux. Aux États-Unis, le coût annuel du traitement de l’hydrocéphalie atteint 2 milliards de dollars.

Cependant, l’absence d’un modèle in vitro à long terme capable de simuler des paramètres cliniques pertinents a limité les recherches basées sur des hypothèses, entravant ainsi la compréhension des mécanismes d’obstruction des shunts. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un modèle in vitro automatisé (Automated, In Vitro Model for Hydrocephalus Research, AIMS), conçu pour simuler les modes d’écoulement du LCR liés aux cathéters ventriculaires, offrant ainsi une nouvelle plateforme pour étudier l’obstruction des shunts.

Source de l’article

Cet article a été réalisé par une équipe de chercheurs de la Wayne State University et de l’University of Michigan, avec comme auteurs principaux Ahmad Faryami, Adam Menkara, Shaheer Ajaz, et comme auteur correspondant Carolyn A. Harris. L’article a été publié en 2024 dans la revue Fluids and Barriers of the CNS, sous le titre “Recapitulation of physiologic and pathophysiologic pulsatile CSF flow in purpose-built high-throughput hydrocephalus bioreactors”.

Processus de recherche et conception expérimentale

1. Développement et conception du modèle AIMS

Le modèle AIMS est une plateforme de test modulaire à haut débit, conçue pour simuler les modes d’écoulement du LCR dans des conditions physiologiques et pathologiques. Le modèle est composé de trois éléments principaux : - Chambres de bioréacteurs interchangeables : Quatre types de chambres ont été conçus, fabriqués en résine, en silicone et en polyéthylène téréphtalate glycol (PETG), pour simuler différents modes d’écoulement du LCR. - Unité de contrôle : Basée sur un contrôleur Arduino et un programme Python personnalisé, elle permet de contrôler les paramètres d’écoulement. - Pompe à déplacement positif : Utilisée pour générer un écoulement pulsatile, simulant le flux physiologique du LCR.

2. Fabrication et test des chambres de bioréacteurs

Les chercheurs ont utilisé l’impression 3D pour fabriquer les quatre types de chambres de bioréacteurs et ont simulé les modes d’écoulement à l’aide de la dynamique des fluides computationnelle (CFD). Chaque chambre a été conçue en tenant compte de l’influence de la position du cathéter dans les ventricules sur la direction de l’écoulement. Pour vérifier les performances des chambres, des tests de pression et des analyses de cohérence d’écoulement ont été réalisés, confirmant leur stabilité sous haute pression.

3. Simulation d’écoulement et analyse de compliance

Le modèle AIMS peut simuler divers modes d’écoulement du LCR dans des conditions physiologiques et pathologiques, y compris différentes amplitudes de pulsation, fréquences de pulsation et débits globaux. Les chercheurs ont ajusté le volume d’air dans les chambres pour simuler différentes compliances et ont analysé leur impact sur les formes d’onde d’écoulement. Les résultats montrent que l’augmentation de la compliance modifie significativement l’amplitude et la forme des ondes d’écoulement, les rapprochant des mesures cliniques du LCR.

4. Tests de performance à long terme et de biocompatibilité

Pour vérifier la stabilité à long terme du modèle AIMS, des expériences continues sur 30 jours ont été menées, montrant une cohérence élevée dans le volume de sortie, avec des fluctuations d’amplitude acceptables. De plus, la biocompatibilité des matériaux des chambres avec les astrocytes humains a été testée, révélant que la résine, le silicone et le PETG supportent la croissance cellulaire, ce qui les rend adaptés aux futures expériences biologiques.

Résultats principaux et conclusions

1. Reproduction des modes d’écoulement

Le modèle AIMS a réussi à simuler les modes d’écoulement physiologiques et pathologiques du LCR mesurés cliniquement, y compris l’amplitude et la fréquence des pulsations. En ajustant la compliance et les paramètres d’écoulement, les chercheurs ont pu reproduire avec précision les formes d’onde du LCR dans différentes conditions cliniques, offrant une plateforme expérimentale fiable pour étudier les mécanismes d’obstruction des shunts.

2. Impact de la conception et des matériaux des chambres

L’étude a montré que la conception des chambres et les matériaux utilisés influencent significativement les formes d’onde et l’amplitude de l’écoulement. Les chambres en résine et en silicone sont adaptées à l’étude des écoulements pulsés de haute amplitude, tandis que les chambres en PETG, avec leur compliance élevée, conviennent mieux aux expériences à haut débit nécessitant un écoulement stable.

3. Stabilité à long terme et biocompatibilité

Le modèle AIMS a démontré une excellente stabilité lors d’expériences continues sur 30 jours, avec un volume de sortie très cohérent. De plus, les tests de biocompatibilité ont confirmé que les matériaux en résine, silicone et PETG supportent la croissance cellulaire, les rendant adaptés aux futures expériences biologiques.

Importance et points forts de la recherche

1. Valeur scientifique

Le développement du modèle AIMS offre une nouvelle plateforme expérimentale pour la recherche sur l’hydrocéphalie, permettant de simuler des modes d’écoulement complexes du LCR et d’améliorer la compréhension des mécanismes d’obstruction des shunts. Cette avancée pourrait accélérer les progrès dans le traitement de l’hydrocéphalie.

2. Valeur pratique

Le modèle AIMS peut non seulement être utilisé pour la recherche fondamentale, mais aussi pour tester de nouvelles conceptions et matériaux de shunts, améliorant ainsi leur performance à long terme et réduisant le risque de chirurgies répétées pour les patients.

3. Innovation

L’innovation du modèle AIMS réside dans sa conception modulaire et sa capacité à haut débit, permettant de mener jusqu’à 50 expériences simultanément. De plus, le modèle permet un contrôle précis des paramètres d’écoulement, simulant diverses conditions cliniques du LCR, ce qui était impossible avec les modèles in vitro précédents.

Conclusion

Le développement du modèle AIMS marque une étape importante dans la recherche sur l’hydrocéphalie. En simulant des modes d’écoulement complexes du LCR, les chercheurs peuvent mieux comprendre les mécanismes d’obstruction des shunts et proposer de nouvelles stratégies de traitement. Cette avancée a non seulement une grande valeur scientifique, mais aussi un potentiel d’application pratique, offrant de meilleurs résultats thérapeutiques pour les patients atteints d’hydrocéphalie.