Un appareil « biohybride » pourrait restaurer la fonction des membres paralysés

Des chercheurs ont mis au point un nouveau type d’implant neural qui pourrait restaurer la fonction des membres chez les amputés et les autres personnes qui ont perdu l’usage de leurs bras ou de leurs jambes.

Dans une étude menée sur des rats, des chercheurs de l’Université de Cambridge ont utilisé l’appareil pour améliorer la connexion entre le cerveau et les membres paralysés. L’appareil combine des composants électroniques flexibles et des cellules souches humaines, les “reprogrammable” cellules maîtresses – pour mieux s’intégrer à la fonction nerveuse et motrice des membres.

Les tentatives précédentes d’utilisation d’implants neuronaux pour restaurer la fonction des membres ont pour la plupart échoué, car du tissu cicatriciel a tendance à se former autour des électrodes au fil du temps, entravant la connexion entre l’appareil et le nerf. En prenant en sandwich une couche de cellules musculaires reprogrammées à partir de cellules souches entre les électrodes et le tissu vivant, les chercheurs ont découvert que le dispositif s’intégrait au corps de l’hôte et la formation de tissu cicatriciel était empêchée. Les cellules ont survécu sur l’électrode pendant toute la durée de l’expérience de 28 jours, la première fois que cela a été surveillé sur une si longue période.

Les chercheurs affirment qu’en combinant deux thérapies avancées pour la régénération nerveuse – la thérapie cellulaire et la bioélectronique – en un seul appareil, ils peuvent surmonter les lacunes des deux approches, en améliorant la fonctionnalité et la sensibilité.

Bien que des recherches et des tests approfondis soient nécessaires avant de pouvoir être utilisé chez l’homme, le dispositif est un développement prometteur pour les amputés ou ceux qui ont perdu la fonction d’un ou plusieurs membres. Les résultats sont publiés dans la revue Avancées scientifiques.

L’incapacité des neurones à se régénérer et à reconstruire des circuits neuronaux perturbés constitue un défi de taille lorsque l’on tente d’inverser des blessures qui entraînent la perte d’un membre ou la perte de fonction d’un membre.

“Si quelqu’un a un bras ou une jambe amputé, par exemple, tous les signaux du système nerveux sont toujours là, même si le membre physique est parti,” a déclaré le Dr Damiano Barone du département des neurosciences cliniques de Cambridge, qui a codirigé la recherche. “Le défi de l’intégration de membres artificiels ou de la restauration de la fonction des bras ou des jambes consiste à extraire l’information du nerf et à la transmettre au membre afin que la fonction soit restaurée.”

Une façon de résoudre ce problème consiste à implanter un nerf dans les gros muscles de l’épaule et à y attacher des électrodes. Le problème avec cette approche est la formation de tissu cicatriciel autour de l’électrode, et il est seulement possible d’extraire des informations au niveau de la surface de l’électrode.

Pour obtenir une meilleure résolution, tout implant destiné à restaurer la fonction devrait extraire beaucoup plus d’informations des électrodes. Et pour améliorer la sensibilité, les chercheurs ont voulu concevoir quelque chose qui pourrait fonctionner à l’échelle d’une seule fibre nerveuse, ou axone.

“Un axone lui-même a une tension minuscule,” dit Baron. “Mais une fois qu’il se connecte à une cellule musculaire, qui a une tension beaucoup plus élevée, le signal de la cellule musculaire est plus facile à extraire. C’est là que vous pouvez augmenter la sensibilité de l’implant.”

Les chercheurs ont conçu un dispositif électronique flexible biocompatible suffisamment fin pour être fixé à l’extrémité d’un nerf. Une couche de cellules souches, reprogrammées en cellules musculaires, a ensuite été placée sur l’électrode. C’est la première fois que ce type de cellule souche, appelée cellule souche pluripotente induite, est ainsi utilisé dans un organisme vivant.

“Ces cellules nous donnent un énorme degré de contrôle,” dit Baron. “Nous pouvons leur dire comment se comporter et les surveiller tout au long de l’expérience. En mettant des cellules entre l’électronique et le corps vivant, le corps ne voit pas les électrodes, il ne voit que les cellules, donc le tissu cicatriciel n’est pas généré.”

Le dispositif biohybride de Cambridge a été implanté dans l’avant-bras paralysé des rats. Les cellules souches, qui avaient été transformées en cellules musculaires avant l’implantation, se sont intégrées aux nerfs de l’avant-bras du rat. Bien que les rats n’aient pas retrouvé le mouvement de leurs avant-bras, l’appareil a pu capter les signaux du cerveau qui contrôlent le mouvement. S’il est connecté au reste du nerf ou à un membre prothétique, l’appareil pourrait aider à rétablir le mouvement.

La couche cellulaire a également amélioré la fonction de l’appareil, en améliorant la résolution et en permettant une surveillance à long terme à l’intérieur d’un organisme vivant. Les cellules ont survécu à l’expérience de 28 jours : c’est la première fois que des cellules survivent à une expérience prolongée de ce type.

Les chercheurs affirment que leur approche présente de multiples avantages par rapport aux autres tentatives de restauration de la fonction chez les amputés. En plus de son intégration plus facile et de sa stabilité à long terme, le dispositif est suffisamment petit pour que son implantation ne nécessite qu’une chirurgie en trou de serrure. D’autres technologies d’interfaçage neuronal pour la restauration de la fonction chez les amputés nécessitent des interprétations complexes spécifiques au patient de l’activité corticale à associer aux mouvements musculaires, tandis que le dispositif développé par Cambridge est une solution hautement évolutive car il utilise “sur l’étagère” cellules.

En plus de son potentiel de restauration de la fonction chez les personnes ayant perdu l’usage d’un ou plusieurs membres, les chercheurs affirment que leur dispositif pourrait également être utilisé pour contrôler les membres prothétiques en interagissant avec des axones spécifiques responsables du contrôle moteur.

“Cette interface pourrait révolutionner la façon dont nous interagissons avec la technologie,” a déclaré la co-première auteure Amy Rochford, du Département d’ingénierie. “En combinant des cellules humaines vivantes avec des matériaux bioélectroniques, nous avons créé un système capable de communiquer avec le cerveau de manière plus naturelle et intuitive, ouvrant de nouvelles possibilités pour les prothèses, les interfaces cerveau-machine et même améliorant les capacités cognitives.”

“Cette technologie représente une nouvelle approche passionnante des implants neuronaux, qui, nous l’espérons, débloquera de nouveaux traitements pour les patients dans le besoin,” a déclaré le co-premier auteur, le Dr Alejandro Carnicer-Lombarte, également du Département d’ingénierie.

“C’était une entreprise à haut risque, et je suis si heureux que cela ait fonctionné,” a déclaré le professeur George Malliaras du département d’ingénierie de Cambridge, qui a codirigé la recherche. “C’est une de ces choses dont vous ne savez pas si cela prendra deux ans ou dix ans avant que cela fonctionne, et cela s’est finalement produit de manière très efficace.”

Les chercheurs travaillent maintenant à optimiser davantage les appareils et à améliorer leur évolutivité. L’équipe a déposé une demande de brevet sur la technologie avec le soutien de Cambridge Enterprise, la branche de transfert de technologie de l’Université.

La technologie repose sur des cellules musculaires activées par opti-oxTM. opti-ox est une technologie de reprogrammation cellulaire de précision qui permet une exécution fidèle des programmes génétiques dans les cellules, leur permettant d’être fabriqués de manière cohérente à grande échelle. Les lignées cellulaires iPSC musculaires activées par opti-ox utilisées dans l’expérience ont été fournies par le laboratoire Kotter de l’Université de Cambridge. La technologie de reprogrammation opti-ox appartient à la société de biologie synthétique bit.bio.