Chaque année, 12 millions de personnes dans le monde sont victimes d'un accident vasculaire cérébral ; beaucoup meurent ou sont handicapés de façon permanente. Actuellement, des médicaments sont administrés pour dissoudre le thrombus qui bloque le vaisseau sanguin. Ces médicaments se propagent dans tout le corps, ce qui signifie qu’une dose élevée doit être administrée pour garantir que la quantité nécessaire atteigne le thrombus. Cela peut provoquer des effets secondaires graves, tels qu’une hémorragie interne. Étant donné que les médicaments ne sont souvent nécessaires que dans des zones spécifiques du corps, la recherche médicale cherche depuis longtemps un moyen d'utiliser des microrobots pour délivrer les produits pharmaceutiques là où ils doivent être : en cas d'accident vasculaire cérébral, directement dans le thrombus lié à l'accident vasculaire cérébral. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’ETH Zurich a réalisé des avancées majeures à plusieurs niveaux. Ils ont publié leurs conclusions dans Science.
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Nanoparticules de précision requises
Le microrobot utilisé par les chercheurs comprend une capsule sphérique exclusive constituée d'une coque de gel soluble qu'ils peuvent contrôler avec des aimants et guider à travers le corps jusqu'à sa destination. Les nanoparticules d'oxyde de fer contenues dans la capsule fournissent les propriétés magnétiques.
« Comme les vaisseaux du cerveau humain sont si petits, il y a une limite à la taille de la capsule. Le défi technique est de garantir qu'une capsule aussi petite possède également des propriétés magnétiques suffisantes. »
Fabian Landers, auteur principal de l'étude et chercheur postdoctoral, laboratoire de robotique multi-échelle, ETH Zurich
Le microrobot a également besoin d'un agent de contraste pour permettre aux médecins de suivre par rayons X son déplacement dans les vaisseaux. Les chercheurs se sont concentrés sur les nanoparticules de tantale, couramment utilisées en médecine mais plus difficiles à contrôler en raison de leur densité et de leur poids plus élevés. « La combinaison de la fonctionnalité magnétique, de la visibilité de l'imagerie et d'un contrôle précis dans un seul microrobot nécessitait une synergie parfaite entre la science des matériaux et l'ingénierie robotique, ce qui nous a pris de nombreuses années pour y parvenir », explique le professeur Bradley Nelson de l'ETH, qui étudie les microrobots depuis des décennies. Le professeur Salvador Pané, chimiste à l’Institut de robotique et de systèmes intelligents, et son équipe ont développé des nanoparticules d’oxyde de fer de précision qui permettent cet équilibre délicat.
Un cathéter spécial libère une capsule chargée de médicament
Les microrobots contiennent également le principe actif dont ils ont besoin pour délivrer. Les chercheurs ont réussi à charger les microrobots avec des médicaments courants pour diverses applications – en l’occurrence un agent dissolvant le thrombus, un antibiotique ou un médicament contre les tumeurs. Ces médicaments ont été libérés par un champ magnétique à haute fréquence qui chauffe les nanoparticules magnétiques, dissolvant ainsi la coque de gel et le microrobot.
Les chercheurs ont utilisé une stratégie en deux étapes pour rapprocher le microrobot de sa cible : d’abord, ils ont injecté le microrobot dans le sang ou le liquide céphalo-rachidien via un cathéter. Ils ont ensuite utilisé un système de navigation électromagnétique pour guider le microrobot magnétique vers l’emplacement cible. La conception du cathéter est basée sur un modèle disponible dans le commerce avec un fil guide interne connecté à une pince en polymère flexible. Lorsqu'elle est poussée au-delà du guide externe, la pince en polymère s'ouvre et libère le microrobot.
Nager à contre-courant – naviguer dans les vaisseaux sanguins
Pour diriger avec précision les microrobots, les chercheurs ont développé un système de navigation électromagnétique modulaire adapté à une utilisation en salle d'opération. « La vitesse du flux sanguin dans le système artériel humain varie beaucoup selon l'emplacement. Cela rend la navigation d'un microrobot très complexe », explique Nelson. Les chercheurs ont combiné trois stratégies de navigation magnétique différentes qui leur ont permis de naviguer dans toutes les régions des artères de la tête.
Cela leur permet de faire rouler la capsule le long de la paroi du vaisseau à l’aide d’un champ magnétique rotatif. La capsule peut être guidée vers sa cible avec une énorme précision à une vitesse de 4 millimètres par seconde.
Dans un modèle différent, la capsule est déplacée grâce à un gradient de champ magnétique : le champ magnétique est plus fort à un endroit qu'à un autre. Cela attire le microrobot dans le vaisseau vers le champ le plus puissant. La capsule peut même aller à contre-courant – et à une vitesse d’écoulement considérable de plus de 20 centimètres par seconde. « Il est remarquable de constater la quantité de sang qui circule dans nos vaisseaux et à une vitesse aussi élevée. Notre système de navigation doit être capable de résister à tout cela », déclare Landers.
Lorsque le microrobot atteint un carrefour dans les vaisseaux qui serait difficile à traverser, la navigation en flux entrant entre en jeu. Le gradient magnétique est dirigé contre la paroi du récipient de manière à ce que la capsule soit entraînée dans le bon récipient.
En intégrant ces trois stratégies de navigation, les chercheurs obtiennent un contrôle efficace sur les microrobots dans diverses conditions d’écoulement et scénarios anatomiques. Dans plus de 95 pour cent des cas testés, la capsule a réussi à délivrer le médicament au bon endroit. « Les champs et gradients magnétiques sont idéaux pour les procédures peu invasives car ils pénètrent profondément dans le corps et – du moins aux intensités et fréquences que nous utilisons – n'ont aucun effet néfaste sur le corps », explique Nelson.
L'innovation ne s'arrête pas à la robotique
Pour tester les microrobots et leur navigation dans un environnement réaliste, les chercheurs ont développé des modèles en silicone reproduisant avec précision les vaisseaux des patients et des animaux. Ces modèles de vaisseaux sont si réalistes qu'ils sont désormais utilisés dans la formation médicale et commercialisés par Swiss Vascular, spin-off de l'ETH Zurich. « Les modèles sont cruciaux pour nous, car nous nous sommes beaucoup entraînés pour optimiser la stratégie et ses composants. On ne peut pas faire cela avec des animaux », explique Pané. Dans le modèle, les chercheurs ont pu cibler et dissoudre un caillot sanguin.
Après de nombreux essais réussis sur le modèle, l’équipe a cherché à démontrer ce que le microrobot pouvait réaliser dans des conditions cliniques réelles. Premièrement, ils ont pu démontrer chez les porcs que les trois méthodes de navigation fonctionnent et que le microrobot reste clairement visible tout au long de la procédure. Deuxièmement, ils ont fait naviguer des microrobots dans le liquide cérébral d’un mouton. Landers est particulièrement satisfait : « Cet environnement anatomique complexe présente un énorme potentiel pour d'autres interventions thérapeutiques, c'est pourquoi nous étions si enthousiastes que le microrobot puisse également trouver sa voie dans cet environnement. »
Applications au-delà des occlusions vasculaires
En plus de traiter les thromboses, ces nouveaux microrobots pourraient également être utilisés pour des infections ou des tumeurs localisées. À chaque étape du développement, l’équipe de recherche est restée concentrée sur son objectif : s’assurer que tout ce qu’elle crée est prêt à être utilisé dans les salles d’opération dans les plus brefs délais. Le prochain objectif est de commencer les essais cliniques sur l’homme le plus rapidement possible. Parlant de ce qui motive toute l'équipe, Landers déclare : « Les médecins font déjà un travail incroyable dans les hôpitaux. Ce qui nous motive, c'est de savoir que nous disposons d'une technologie qui nous permet d'aider les patients plus rapidement et plus efficacement et de leur donner un nouvel espoir grâce à des thérapies innovantes.
