Les résultats « prometteurs » des tests sur les tissus cérébraux des animaux suggèrent que cela pourrait aider les cliniciens à mieux surveiller à la fois la progression de la maladie et la réponse des patients au traitement qu’il n’est actuellement possible, ce qui indique le potentiel élevé de futurs essais de diagnostic chez l’homme.
Les personnes qui subissent un grave coup à la tête, comme lors d’accidents de la route, peuvent souffrir d’un traumatisme crânien (TBI) – une cause majeure de décès et d’invalidité dans le monde qui peut entraîner des difficultés à long terme avec la mémoire, la concentration et la résolution de problèmes.
Les traumatismes crâniens doivent être surveillés en permanence pendant le traitement. Pour cette raison, les sondes intracrâniennes sont utilisées dans les établissements de soins neurocritiques pour surveiller les indicateurs clés de la progression des blessures, appelés biomarqueurs, comme la pression et l’oxygène dans le cerveau.
Certaines de ces sondes ne peuvent mesurer qu’un seul biomarqueur à la fois. D’autres peuvent surveiller plusieurs biomarqueurs, mais nécessitent pour cela plusieurs tubes insérés dans le cerveau, ce qui risque de causer d’autres lésions tissulaires ou infections.
Les chercheurs de l’Impérial ont maintenant développé un système de surveillance des patients pour surveiller plusieurs biomarqueurs après une lésion cérébrale traumatique. L’appareil combine la capacité de surveiller quatre biomarqueurs à la fois avec des algorithmes d’apprentissage automatique qui utilisent des données précédentes pour prédire les concentrations de biomarqueurs en fonction des données obtenues en temps réel. S’il est optimisé et éprouvé pour une utilisation chez l’homme, l’appareil pourrait aider les hôpitaux à surveiller plus efficacement le TBI.
C’est une percée prometteuse. Nos résultats prometteurs indiquent à la fois une surveillance précise des biomarqueurs et des prédictions précises de la progression des blessures qui, après un développement plus poussé, pourraient aider les cliniciens à surveiller à la fois la santé cérébrale des patients et la réponse au traitement. »
Dr Yubing Hu, auteur principal, Département de génie chimique de l’Impériale
La recherche est publiée dans Matter.
Tester l’appareil
Le dispositif comprend une fibre optique flexible à base de silice qui est insérée dans le tissu cérébral pour surveiller le liquide céphalo-rachidien (LCR) – le liquide qui entoure le cerveau et la moelle épinière. Attachés à l’extrémité de la fibre, quatre films de détection mesurent simultanément et en continu les niveaux d’un biomarqueur chacun dans le LCR : pH, température, oxygène dissous et glucose. Les films sont recouverts d’une gaine noire pour réduire le bruit de fond et améliorer la précision des données.
Pour tester l’appareil, les chercheurs ont surveillé en continu les niveaux de ces biomarqueurs dans un cerveau d’agneau sous divers états. Le cerveau de l’agneau, qui n’avait pas subi de TBI et était donc en bonne santé, a été suspendu dans du LCR artificiel que les chercheurs pouvaient modifier pour imiter à volonté la chimie cérébrale des TBI légers et graves.
Ils ont d’abord mesuré les biomarqueurs dans le LCR sain, avant de passer à leur mesure dans les états TBI légers puis sévères. Pour imiter le scénario lorsque les patients TBI s’améliorent grâce aux traitements médicaux, ils ont ensuite mesuré à nouveau dans l’état TBI léger.
Le premier auteur, Yuqian Zhang, candidat au doctorat du Département de génie chimique, a déclaré : « Notre appareil recueille une vaste gamme de données médicales qui ne sont actuellement réalisables qu’avec de nombreux capteurs différents. Le dispositif de capteur à fibre optique intégré à l’intelligence artificielle (IA) pour réduire -pourparlers. »
Le co-auteur, le Dr Nan Jiang de l’Université du Sichuan, a déclaré: « L’appareil a démontré une grande précision en mesurant en continu chaque biomarqueur pendant les états de maladie TBI sains, légers et graves. »
Ses hautes performances comprenaient une sensibilité élevée (capacité à détecter des quantités infimes de biomarqueurs), une sélectivité (capacité à discerner entre les biomarqueurs), une stabilité (capacité à assurer une surveillance à long terme avec une dérive minimale du signal), une biocompatibilité (capacité pour le capteur pour interagir en toute sécurité avec le tissu cérébral lors d’une implantation à long terme) et robustesse.
Les modèles d’apprentissage automatique ont pu prédire avec précision les concentrations de biomarqueurs en temps réel à l’aide des lectures d’une bibliothèque de mesures précédentes. Il a également été en mesure d’identifier la transition entre les différentes étapes du TBI simulé par les chercheurs.
Le Dr Ali Yetisen, qui a dirigé l’équipe de recherche du Département de génie chimique, a déclaré : « Notre étude a montré la capacité de l’appareil à surveiller dynamiquement plusieurs biomarqueurs pour évaluer les changements métaboliques dans le cerveau. Il reflète en permanence l’état de la blessure, ce qui pourrait aider les neurochirurgiens à suivre l’évolution de la maladie précisément pour prendre des décisions cliniques et un traitement fondés sur des preuves. »
Les chercheurs continuent de développer le capteur en utilisant des faisceaux optiques pour élargir la gamme de biomarqueurs testables, tels que les agents inflammatoires et les neurotransmetteurs. Ils développent également un système d’apprentissage automatique plus complexe pour tirer le meilleur parti des données et des mécanismes prédictifs disponibles. Ils notent également que davantage de tests utilisant des animaux vivants sont nécessaires pour évaluer la réponse d’un corps entier à la sonde et pour tester la capacité du capteur à fibre dans des applications réelles.
Cette recherche a été financée par la Royal Society et la Royal Society of Chemistry.
