Les thérapies par ultrasons de faible intensité pourraient un jour reconstruire des genoux plus forts après une blessure ou une intervention chirurgicale, grâce aux recherches du Dr Anu Subramanian de l’Université de l’Alabama à Huntsville (UAH) soutenues par les National Institutes of Health.
Professeur de génie chimique et des matériaux à l’UAH, qui fait partie du système de l’Université de l’Alabama, le Dr Subramanian est le chercheur principal de la recherche explorant les effets des ultrasons sur la repousse du cartilage dans la recherche in vitro et sur le genou de cadavre bovin financée par les NIH depuis avant de rejoindre l’université en 2018. Le total de ses recherches NIH accordées jusqu’à présent dans ce domaine s’élève à 1 857 229 $.
Les recherches du Dr Subramanian ont progressé au fil des ans, passant de la phase éprouvette au travail sur le genou de la vache cadavérique, aux tests sur le lapin et maintenant aux enquêtes sur le genou équin en collaboration avec le modèle équin de la Colorado State University (CSU).
Le cartilage qui sert de coussin entre les os du genou est une matrice riche en protéines avec très peu de cellules. Il n’a pas de vaisseaux sanguins, il ne peut donc pas se régénérer. Les chirurgiens orthopédistes essaient de compenser cela avec une technique qui perce l’os adjacent pour créer des microfractures afin de produire du sang riche en cellules souches.
Certaines des cellules mésenchymateuses résultantes se transforment en un autre type, les cellules chondrocytes nécessaires à la régénération du collagène. Mais certains deviennent plutôt des fibroblastes et créent une forme de collagène beaucoup moins solide.
Le résultat est un lien plus faible et le potentiel d’échec futur là où la blessure ou l’intervention chirurgicale a eu lieu. Le Dr Subramanian a étudié une méthode peu coûteuse qui utilise une thérapie continue par ultrasons de faible intensité (cLIUS) pour faire repousser du cartilage postopératoire de qualité dans des articulations comme le genou ou l’épaule.
Dans le cadre de la subvention continue R01-NIH actuelle de 494 000 $ sur quatre ans, qui fait partie de son prix total de 1 957 903 $, l’échographie sera utilisée après les chirurgies équines à la CSU. Les progrès de la recherche nous rapprochent du moment où un genou blessé subira une imagerie par résonance magnétique, puis un ordinateur indiquera au chirurgien où et comment appliquer au mieux l’échographie postopératoire afin que la repousse du cartilage résultante ait des caractéristiques très proches du matériau d’origine.
« Nous avons démontré la preuve de concept dans un modèle de lapin, et nous travaillons actuellement à traduire les résultats dans un modèle animal plus grand, le modèle équin, qui présente des caractéristiques articulaires proches de celles d’un humain », explique le Dr Subramanian. .
« Au CSU, le Dr Brad Nelson et le Dr Jeremiah Easley effectueront les chirurgies chez les moutons et testeront le schéma ultrasonore pour réparer les défauts chez les moutons. Ils aideront également à évaluer la réparation à l’aide de techniques biomécaniques et immunologiques. »
Le Dr Nelson est professeur adjoint de chirurgie équine à la CSU, tandis que le Dr Easley est codirecteur du laboratoire de recherche chirurgicale préclinique de la CSU et professeur adjoint au département des sciences cliniques de la CSU.
« J’espère également poursuivre ma collaboration avec le Dr Hendrik Viljoen, professeur distingué au Département de génie chimique et biomoléculaire de l’Université du Nebraska-Lincoln », dit-elle. « Lui et moi avons commencé ce projet ensemble à l’UNL. »
Le Dr Sarma Rani, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l’UAH, est co-chercheur dans la subvention actuelle qui soutient également les doctorants Shahid Khan (sciences de la biotechnologie), Aryana Singh Bhati (biotechnologie), Sattik Basu (génie mécanique et aérospatial ) et Owen Trippany (ingénierie mécanique et aérospatiale ; ingénierie chimique et des matériaux).
Après avoir été approuvée pour la première fois par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de l’American Association for Laboratory Animal Science, des recherches antérieures sur le lapin ont réussi à démontrer que l’échographie favorise l’intégration des tissus nouvellement cultivés avec les tissus natifs environnants, explique le Dr Subramanian. C’était une preuve de concept supplémentaire dans le paradigme de recherche par étapes utilisé pour faire progresser des technologies telles que les ultrasons vers une utilisation humaine.
« En bref, nous avons créé chirurgicalement des défauts dans les articulations du genou des lapins en utilisant une technique appelée microfracture, où un petit défaut est créé et le cartilage est débridé et de minuscules trous sont percés dans l’os sous-jacent pour exploiter l’apport endogène de cellules souches mésenchymateuses qui ont potentiel de guérison », dit-elle.
« Nos résultats démontrent que la guérison des défauts chondraux traités par microfracture peut être accélérée en utilisant le régime cLIUS à la fréquence bénéfique », déclare le Dr Subramanian. « Nous avons démontré dans notre étude approuvée par l’IACUC que les articulations qui ont reçu des ultrasons lors d’une microfracture avaient amélioré la réparation du cartilage et de meilleurs scores de réparation par rapport aux articulations témoins qui n’ont reçu aucune échographie, mais ont subi une microfracture. »
Les résultats ont également démontré que l’échographie peut favoriser la réparation dans l’environnement articulaire pro-inflammatoire initial qui suit immédiatement une intervention chirurgicale ou une blessure, dit-elle. « L’inflammation pendant la phase de récupération et de régénération joue un rôle essentiel dans la modulation du résultat de la réparation », explique le Dr Subramaian.
« Par exemple, pendant la phase de récupération précoce, l’environnement articulaire abrite une pléthore de fractions de cytokines qui, si elles ne sont pas contrôlées, peuvent avoir un effet catabolique et entraver le processus de réparation. Ainsi, les modalités de traitement doivent encourager la guérison et la réparation, mais aussi atténuer les effets cataboliques des cytokines présentes Nos travaux ont montré que les ultrasons continus de faible intensité, lorsqu’ils sont utilisés au régime bénéfique, favorisent la réparation et la régénération dans un environnement inflammatoire.
Dans la recherche sur le lapin, l’inflammation a été créée par le processus chirurgical lui-même.
« D’un point de vue scientifique très fondamental, nous avons montré que les ultrasons peuvent amadouer ou encourager les cellules souches mésenchymateuses multipotentes à adopter la lignée de cellules qui peuplent le cartilage et le faire dans un environnement pro-inflammatoire en utilisant des mécanismes de contrôle cellulaire très spécifiques, » elle dit.
La Dre Subramanian dit qu’elle a toujours été intriguée par l’intersection des problèmes transversaux entre la biologie, la médecine et l’ingénierie.
« Je pense que ma perspective d’ingénierie apporte des aspects quantitatifs à cette recherche, et je suis capable de définir les défis sous-jacents en utilisant une approche de modélisation des processus », dit-elle. « Au fil des ans, je me suis aventuré de plus en plus dans la biologie du cartilage et les aspects sous-jacents de la biochimie et de la biologie moléculaire. »
Elle a identifié des domaines d’exploration nouvelle au cours de la recherche. « L’un des problèmes les plus intéressants à résoudre est ce qui arrive à l’articulation et à ses tissus constitutifs immédiatement après un traumatisme articulaire », dit-elle.
Si les événements après l’insulte initiale restent non résolus, des lésions articulaires à long terme peuvent survenir.
« Dans ce projet financé par les NIH, je traite de la réparation du cartilage à long terme », dit-elle. « Je commence maintenant à créer des modèles multi-tissus ex-vivo (en dehors du corps vivant) pour mieux comprendre les événements précoces lors d’un traumatisme articulaire, et cela restera mon objectif pour les cinq prochaines années. »
