Grâce à un nouveau financement de la National Science Foundation, des chercheurs de l'Université de Californie à Irvine et de la Keck School of Medicine de l'USC vont chercher à révolutionner le traitement des maladies neurologiques grâce à la bioinformatique intelligente. Cette subvention de 2 millions de dollars sur quatre ans fait partie du programme Emerging Frontiers in Research and Innovation de la NSF, qui finance des travaux scientifiques de pointe repoussant les limites de la connaissance humaine.
Le projet UC Irvine-USC a pour objectif de combiner les principes d'ingénierie avec la recherche sur les cellules souches pour traiter les régions cérébrales endommagées. L'objectif à long terme de l'équipe est de restaurer les fonctions motrices des patients qui ont subi des lésions cérébrales suite à un accident vasculaire cérébral ou qui ont connu d'autres problèmes neurologiques.
Nous pensons que la combinaison de l'ingénierie des systèmes et de la médecine régénérative pourrait, grâce à des recherches plus poussées, aider les patients souffrant de lésions neurologiques. Le programme soutiendra la recherche scientifique nécessaire pour établir les bases des futures applications thérapeutiques des patients.
Dr An Do, professeur associé de neurologie à l'UC Irvine, chercheur principal de l'étude
L'idée derrière cette nouvelle recherche est d'appliquer la biofabrication avancée et la technologie des cellules souches adultes pour construire des réseaux neuronaux 3D de manière à imiter les mécanismes d'auto-apprentissage du cerveau sain. L'équipe envisage que ces réseaux intelligents puissent éventuellement s'intégrer au cerveau et au corps et être programmés pour restaurer les fonctions perdues après une blessure.
Do supervisera le projet et dirigera les efforts de biofabrication. Il travaillera avec Zoran Nenadic, professeur d'ingénierie biomédicale à l'UC Irvine, qui gérera les processus de traitement du signal neuronal et de formation du réseau neuronal du projet. Hung Cao, professeur associé d'ingénierie électrique à l'UC Irvine, répondra aux besoins du projet en matière de microfabrication et d'ingénierie microélectronique.
Leigh Turner, professeur de bioéthique et de santé publique à l'Université de Californie à Irvine, mènera une étude sur les questions éthiques, juridiques et sociales liées au projet. Le Dr Charles Liu, professeur de chirurgie neurologique clinique, d'urologie et de chirurgie, et directeur du Centre de neurorestauration de l'USC, travaillera directement avec les patients.
L'équipe de l'UC Irvine-USC a passé des années à développer des interfaces cerveau-ordinateur pour la neurorestauration et a reçu en 2017 une subvention de 8 millions de dollars de la NSF pour étendre ces travaux. Depuis lors, ils ont été reconnus à la fois par la NSF et par la Engineering in Medicine and Biology Society de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers.
Les technologies convergent
Les cellules souches sont prometteuses pour aider les patients souffrant de lésions cérébrales et de la moelle épinière. Cependant, les scientifiques n’ont pas encore réussi à créer des réseaux de cellules souches neurales à la fois fonctionnels et autonomes. Les cellules souches injectées dans les régions cérébrales endommagées ont le potentiel de croître et de fonctionner, mais ne parviennent pas à générer de bénéfices cliniques. Les chercheurs de l’UCI et de l’USC pensent qu’une solution technique est nécessaire pour atteindre ces objectifs.
L'équipe va d'abord développer une méthode permettant d'imprimer des réseaux 3D de cellules souches neurales en culture. Ces cellules auront été prélevées sur des donneurs adultes et reprogrammées pour atteindre un état pluripotent (capable de se développer en différents types de cellules). Les cellules souches cultivées peuvent former des réseaux neuronaux et de petits « organoïdes » dont la taille est limitée en raison d'un apport insuffisant de nutriments. Do et ses collègues prévoient de créer des vaisseaux sanguins artificiels qui peuvent aider les réseaux neuronaux de cellules souches à s'agrandir et à prospérer.
Les chercheurs ont ensuite pour objectif de créer une connexion bidirectionnelle entre ces cellules cérébrales cultivées et le cerveau humain vivant pendant que les participants à la recherche effectuent une tâche comportementale. Ces études se dérouleront à l'UC Irvine avec des volontaires valides qui utiliseront leur électroencéphalogramme (EEG) pour interagir avec le réseau cultivé.
Les expériences seront ensuite étendues aux patients épileptiques chez qui des électrodes ont été implantées par le USC Epilepsy Care Consortium pour gérer leur maladie. L’objectif de cette recherche est de déterminer si les cellules cultivées peuvent apprendre et se développer en réponse à des signaux cérébraux – par exemple, lorsqu’une personne effectue une tâche motrice avec ses mains – puis renvoyer des signaux au cerveau en retour. L’objectif clinique est qu’à terme, les patients victimes d’un AVC puissent bénéficier de cette recherche.
Bioinformatique intelligente
Bien que cette technologie exploratoire soit encore théorique et loin d’être appliquée en clinique, une réussite pourrait conduire à des avancées dans le traitement d’un large éventail de maladies neurologiques. Si les chercheurs parviennent à produire des réseaux neuronaux 3D capables de se développer et d’apprendre, ils prévoient d’explorer la puissance que peuvent atteindre ces bio-ordinateurs intelligents. Les chercheurs prévoient de déterminer s’ils peuvent effectuer des tâches simples ou s’ils sont capables de fonctions complexes telles que la logique et le calcul.
Dans le cadre du projet actuel, les chercheurs utiliseront également diverses méthodes de recherche pour aborder les implications éthiques, juridiques et sociales de ces constructions biologiques intelligentes.
Ce travail est soutenu par la subvention 2422412 de la National Science Foundation.
Six autres institutions ont reçu des subventions Emerging Frontiers in Research and Innovation. Elles font partie des principales universités de recherche aux États-Unis : l'Université du Michigan, l'Université de Notre Dame, Virginia Tech, l'Université Harvard, l'Université du Maryland et le Massachusetts Institute of Technology.
