Au cours d'une procédure connue sous le nom de lithotritie au laser, les urologues utilisent un petit laser guidé par vidéo pour réduire en miettes les calculs rénaux douloureux et potentiellement dommageables.
Il est préférable pour le patient que les urologues puissent briser les calculs rénaux aussi finement que possible, idéalement en une poussière qui peut être aspirée en toute sécurité – mais l'utilisation de lasers plus puissants crée une chaleur supplémentaire qui peut endommager les tissus environnants et blesser le patient.
Évidemment, vous ne voulez pas pomper trop d’énergie dans vos reins, car c’est quelque chose de très dangereux. Ce que nous démontrons dans notre travail est un moyen de mieux utiliser l’énergie laser déjà utilisée. »
Asst. Professeur Po-Chun Hsu, École Pritzker d'ingénierie moléculaire de l'Université de Chicago (UChicago PME)
Hsu est co-auteur d'un nouvel article publié dans Science avancéele résultat d'une collaboration d'ingénieurs et de médecins d'UChicago PME et de Duke University qui ont mis au point un moyen d'améliorer l'efficacité des lasers sur les calculs rénaux, sans changer les lasers. Ce travail pourrait aboutir à des interventions chirurgicales plus courtes, à des guérisons plus rapides et à une diminution des récidives d'une maladie qui touche 11 % des Américains et qui a augmenté les dépenses nationales de santé de plus de 2 milliards de dollars rien qu'en 2000.
« C'est un exemple classique de la façon dont les points de connexion peuvent créer quelque chose de transformateur », a déclaré Hsu, dont les recherches portent principalement sur des matériaux de construction et des tissus réfléchissant la chaleur.
Le co-auteur Michael Lipkin, urologue à Duke Health, a décrit la collaboration entre ingénieurs et médecins comme une opportunité pour les deux.
« C'est une excellente opportunité en tant que clinicien de pouvoir s'associer à des chercheurs scientifiques de classe mondiale pour s'attaquer à un problème qui présente des avantages directs pour nos patients », a déclaré Lipkin. « Ces types de partenariats sont un terrain fertile pour de grandes idées qui changent le monde. »
Une solution en solution
Pour améliorer les performances d'un laser sans altérer le laser lui-même, l'équipe interdisciplinaire avait besoin d'une solution innovante. Un innovant saline solution.
Les médecins utilisent une solution saline – de l’eau légèrement salée – pour distendre la partie creuse du rein et maintenir la visibilité pendant l’intervention. Une grande partie de l’énergie laser est généralement dissipée dans la solution saline sous forme de chaleur. Les chercheurs ont découvert que l’ajout de nanoparticules sombres qui absorbent les longueurs d’onde du laser à cette solution saline maintient le laser concentré sur la pierre, plutôt que de se refléter ou de se dissiper.
Cela améliore la quantité d'énergie laser transmise et absorbée par les calculs rénaux, une caractéristique que beaucoup pensaient ne pas pouvoir être facilement manipulée, a déclaré l'auteur correspondant, le professeur d'ingénierie de l'Université Duke, Pei Zhong.
« Chaque laser a sa propre longueur d'onde inhérente, basée sur la technologie par laquelle le laser a été généré. Les gens pensaient : « Si la longueur d'onde est fixe, vous ne pouvez pas modifier l'absorption du laser dans le fluide de travail ou dans la pierre que vous essayez de cibler » », a déclaré Zhong. « Le nanofluide apporte une nouvelle dimension, indépendante de la composition de la pierre, indépendante du laser, qui peut affecter cette procédure physique très complexe. »
Mais tous les nanofluides ne conviennent pas à une procédure médicale, a déclaré le premier auteur Qingsong Fan, chercheur postdoctoral à UChicago PME.
« Tout d'abord, la solution doit être absorbante aux longueurs d'onde du laser, qui sont d'environ 2 000 nanomètres ou deux micromètres », a déclaré Fan. « Le deuxième critère est que les nanoparticules doivent bien se disperser dans l'eau, car c'est ainsi que nous irriguons les reins. Et le troisième – et le plus important – est qu'elles doivent être sûres. »
Des tests sur des calculs rénaux cultivés en laboratoire ont révélé que l’équipe avait atteint les trois objectifs. Le nanofluide a amélioré l’efficacité de l’ablation des calculs de 38 à 727 % en traitement localisé et de 26 à 75 % en traitement par balayage. L'immersion de cellules vivantes dans le nanofluide pendant diverses durées allant jusqu'à 24 heures a démontré que la solution efficace de nanoparticules était également non toxique et sûre.
En pratique, cependant, ce matériau ne sera jamais en contact avec les cellules aussi longtemps. La lithotripsie est une procédure ambulatoire qui dure environ 30 minutes. Hsu espère que l’amélioration de l’efficacité de l’absorption pourrait réduire ce temps à 10 minutes.
« Si vous passez trop de temps dans cette opération, la chaleur perdue du laser s'accumulera, et cela sera en réalité plus nocif que l'ablation elle-même », a déclaré Hsu.
Différentes pierres, différents lasers
L’étude s’est concentrée sur les lasers holmium:yttrium-aluminium-grenat (Ho-YAG) et les calculs rénaux cultivés en laboratoire. La référence en matière de lithotripsie laser, le Ho-YAG est de loin le type de laser le plus couramment utilisé – mais loin d’être le seul.
« Certains lasers fonctionnent bien en matière de dépoussiérage, d'autres lasers fonctionnent mieux en matière de fragmentation, mais aucun laser ne peut fonctionner de manière exceptionnelle à la fois en matière de dépoussiérage et de fragmentation », a déclaré Zhong. « À moins que vous ne soyez dans un grand hôpital comme l'Université de Chicago ou Duke, les médecins communautaires ne pourront peut-être pas se permettre plusieurs lasers. Le nanofluide a le potentiel d'améliorer les performances de chaque laser dans différents scénarios cliniques. »
Les prochaines étapes comprennent des tests pour voir comment leur nouvelle technique fonctionne en utilisant d'autres lasers de lithotritie courants et comment elle affecte les calculs rénaux réels plutôt que ceux cultivés en laboratoire.
La co-auteure Christine Payne, présidente Donald M. Alstadt du département Thomas Lord de génie mécanique et de science des matériaux à l'université Duke, a qualifié la recherche de « bon exemple de la manière dont la recherche fondamentale se traduit en applications cliniques ».
« L'un des aspects les plus passionnants de cette recherche est la manière dont une équipe de scientifiques et de cliniciens ont travaillé ensemble en utilisant leur propre expertise pour répondre à une question importante : comment mieux traiter les calculs rénaux », a déclaré Payne.
