Comparaison des modèles de sonication et des stratégies d'administration de microbulles pour la livraison de médicaments de grand volume médiée par ultrasons focalisés

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Ultrason focalisé Microbulles Livraison de médicaments de grand volume Barrière hémato-encéphalique Inhibiteur de point de contrôle immunitaire

Comparaison des stratégies de délivrance de médicaments par mode acoustique et microbulles dans la transmission de médicaments de grand volume à travers la barrière hémato-encéphalique par ultrasons focalisés

Introduction

Le gliome pontique intrinsèque diffus (Diffuse Intrinsic Pontine Glioma, DIPG) est la tumeur du tronc cérébral la plus courante et la plus meurtrière chez les enfants. Étant donné que la barrière hémato-encéphalique (Blood-Brain Barrier, BBB) du DIPG reste habituellement intacte, les médicaments ne peuvent pas la traverser efficacement, ce qui rend le traitement extrêmement difficile. Ces dernières années, la technologie de rupture de la BBB par ultrasons focalisés couplée à des microbulles (FUS-BBBO) a montré un potentiel énorme pour surmonter cette barrière. En raison de la grande diffusion du DIPG, il est nécessaire d’adopter une stratégie de traitement FUS-BBBO pouvant couvrir l’ensemble de la zone tumorale de manière volumineuse. L’objectif de cette étude est de déterminer une stratégie de traitement optimale pour permettre une rupture large et uniforme de la BBB au niveau du tronc cérébral, afin d’assurer la transmission efficace d’inhibiteurs de points de contrôle immunitaires (comme les anticorps anti-PD-L1).

Origine de l’étude

Cette étude a été menée par Yan Gong, Dezhuang Ye, Chih-Yen Chien, Yimei Yue et Hong Chen, tous appartenant au département de génie biomédical de l’Université de Washington à Saint-Louis. L’article a été publié en novembre 2022 dans la revue IEEE Transactions on Biomedical Engineering, avec un financement du National Institutes of Health des États-Unis et de la bourse Washington University in Saint Louis-Taiwan.

Méthodes de recherche

Processus de recherche

L’étude a conçu quatre combinaisons de deux paramètres clés pour évaluer l’efficacité du FUS-BBBO : le mode acoustique (alterné et séquentiel) et la méthode d’injection de microbulles (injection unique et injection continue). Tout d’abord, l’effet des différentes stratégies a été comparé en utilisant la transmission du bleu d’Evans, puis les meilleures stratégies ont été testées pour la transmission de l’anticorps anti-PD-L1 (APD-L1) sous différentes intensités acoustiques.

  1. Conception des expériences animales

    • Un total de 39 souris adultes ont été utilisées. Dans la première expérience, 24 souris ont été divisées en quatre groupes de six chacune, testant les quatre stratégies : alterné-injection unique, alterné-injection continue, séquentiel-injection unique et séquentiel-injection continue. La pression acoustique a été maintenue à 0,45 MPa. Après avoir choisi la stratégie optimale, les souris restantes ont été réparties en trois groupes pour comparer la transmission de l’APD-L1 sous différentes pressions acoustiques.
    • Les microbulles (Definity) ont été activées et administrées par injection intraveineuse ou infusion avant chaque traitement.

  2. Traitement par ultrasons focalisés

    • Le traitement par ultrasons a été réalisé en utilisant un système d’ultrasons focalisés guidés par imagerie. Les ondes acoustiques ont été appliquées en multiples points sur une grille 3x3, couvrant l’ensemble du tronc cérébral.
    • L’imagerie de cavitation dynamique 2D (PCI) a été utilisée pour surveiller en temps réel l’évolution de la cavitation sur l’ensemble de la zone traitée.

  3. Imagerie par fluorescence et quantification ex vivo

    • Après le traitement FUS, 4% de bleu d’Evans ou de l’APD-L1 marqué par fluorescence a été injecté. Les souris ont été sacrifiées, les échantillons cérébraux fixés puis coupés en tranches pour une imagerie par fluorescence. L’intensité de la fluorescence a été quantifiée à l’aide d’un logiciel intégré.

  4. Analyse de l’uniformité

    • L’uniformité de la transmission a été évaluée en calculant le coefficient de variation de l’intensité de fluorescence des pixels du bleu d’Evans dans le tronc cérébral. Plus le coefficient de variation est bas, plus l’uniformité est élevée.

  5. Surveillance PCI

    • La sonde à ultrasons enregistrait passivement les signaux à une fréquence de 40 images par seconde. L’intensité de cavitation à chaque instant durant l’exposition a été intégrée pour obtenir la dose totale de cavitation.

  6. Surveillance physiologique

    • La fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire des souris anesthésiées ont été mesurées pour évaluer les potentiels changements physiologiques induits par le FUS.

  7. Analyse histologique

    • La coloration H&E a été utilisée pour évaluer les dommages tissulaires sous différentes pressions acoustiques, et la densité des micro-hémorragies a été quantifiée via le logiciel ImageJ.

Résultats de la recherche

  1. Efficacité et uniformité de la transmission du bleu d’Evans

    • La stratégie alternée-injection unique a obtenu la meilleure efficacité et uniformité de transmission. Son intensité de fluorescence était de 1,29 à 2,06 fois supérieure à celle des autres stratégies. Le coefficient de variation était de 0,66, comparé à 0,68 à 0,88 pour les autres stratégies.

  2. Efficacité de la transmission de l’APD-L1

    • Une transmission réussie de l’APD-L1 a été obtenue à 0,30 MPa et 0,45 MPa. La quantification de l’intensité de fluorescence a montré que l’efficacité de transmission à 0,45 MPa était supérieure à celle à 0,30 MPa, mais l’uniformité était similaire. À 0,15 MPa, aucun effet de transmission significatif n’a été observé.

  3. Sécurité du FUS-BBBO de grand volume

    • La surveillance de la fréquence cardiaque et respiratoire n’a montré aucun changement notable, indiquant que le traitement est sûr. L’analyse histologique a révélé des micro-hémorragies chez quatre souris à 0,45 MPa, contre aucune à 0,15 MPa et 0,30 MPa.

Conclusion

Cette étude montre que la combinaison du mode acoustique alterné avec une injection unique de microbulles est la stratégie optimale pour une rupture FUS-BBBO large et uniforme. Cette stratégie permet également la transmission sécurisée de médicaments à une pression acoustique relativement basse (0,30 MPa). La surveillance PCI s’est avérée efficace pour évaluer l’efficacité et l’uniformité spatiale de la transmission, étant étroitement corrélée avec les résultats finaux de transmission de médicaments. Cette étude offre des orientations importantes pour l’utilisation clinique future de la technologie FUS-BBBO dans le traitement du DIPG.

Importance académique et application pratique

Cette recherche non seulement révèle la meilleure stratégie pour une transmission de médicaments volumineuse et uniforme, mais introduit également la surveillance PCI comme une méthode d’évaluation et de régulation en temps réel. De plus, en garantissant la sécurité du traitement tout en obtenant de bons résultats de transmission de médicaments, l’étude explore de nouvelles possibilités pour le traitement du DIPG et d’autres tumeurs cérébrales similaires. Elle pourrait potentiellement être utilisée en clinique à l’avenir pour améliorer considérablement le traitement de cette maladie létale.