Des microrobots réparent la moelle épinière

Les lésions de la moelle épinière peuvent avoir des conséquences dévastatrices pour les personnes touchées. Les cellules nerveuses de la moelle épinière se régénèrent rarement de manière naturelle, tandis que la cicatrisation empêche souvent la repousse des fibres nerveuses. Les thérapies modernes tentent d'influencer les cellules souches implantées en utilisant la stimulation électrique pour promouvoir la croissance de nouvelles cellules nerveuses. Cette approche présente plusieurs inconvénients : elle nécessite l'implantation d'électrodes et les cellules transplantées ne survivent pas toujours ou ne s'intègrent pas correctement dans le tissu existant.

Cellules et nanoparticules savamment combinées

Des chercheurs zurichois poursuivent une nouvelle approche, qu'ils ont publiée dans la revue Nature Materials. Il s'agit de combiner des cellules souches thérapeutiques avec des nanoparticules magnétoélectriques de manière à ce que les cellules puissent être guidées magnétiquement vers le site précis d'une blessure et stimuler les cellules souches pour accélérer la réparation.

Pour ce faire, les chercheurs ont créé un microrobot biohybride, qui associe des cellules progénitrices neurales (CPN) vivantes à un composant technique sous la forme de nanoparticules spécialement conçues. Les CPN sont dérivées de cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS), qui sont des cellules corporelles normales reprogrammées en laboratoire pour retrouver les propriétés des cellules souches. Ces cellules iPS ont le potentiel de se différencier en divers types de cellules du système nerveux.

Les nanoparticules sont constituées de deux couches : une couche interne qui réagit aux champs magnétiques et une couche externe qui convertit cette réaction en signaux électriques. En combinant ces nanoparticules spéciales avec les cellules progénitrices, les chercheurs fabriquent ce que l'on appelle des NPCbots.

Un laboratoire de la taille d'une puce

Les chercheurs créent les NPCbots dans des laboratoires spécialisés sur une surface d'un centimètre carré. Ce processus peut être illustré graphiquement. "Nous plaçons un réservoir au centre où nous emprisonnons les cellules. Nous injectons ensuite les nanoparticules et attendons que les deux composants se lient", explique le professeur Salvador Pané i Vidal, du laboratoire de robotique multi-échelle de l'ETH Zurich.

Après seulement trente minutes, les NPCbots - d'une taille d'environ six micromètres chacun - sont prêts à l'emploi. "Pour augmenter l'échelle de fabrication, nous utilisons plusieurs systèmes de laboratoires sur puce en parallèle", explique Hao Ye, scientifique principal et premier auteur de l'étude. Selon le test en question, les chercheurs de l'ETH ont besoin de centaines de milliers de microrobots pour les études cellulaires et de plusieurs millions pour les expériences animales.

Le poisson-zèbre blessé se remet à nager

L'équipe a testé les NPCbots sur des larves de poisson zèbre souffrant de lésions de la moelle épinière. Les microrobots ont été injectés précisément à l'endroit de la blessure du poisson et des champs électromagnétiques ont été générés. Pour Pané Vidal, le travail d'équipe a été essentiel à la réussite de l'expérience : "Stephan Neuhauss et Jingjing Zang, de l'université de Zurich, ont réalisé un travail extrêmement précieux. Ils nous ont permis de démontrer, dans un système modèle de régénération bien caractérisé, à quelle vitesse les cellules se différencient grâce à notre méthode et comment nos robots réparent la moelle épinière". En seulement trois jours, le poisson-zèbre a présenté un comportement de natation et d'exploration presque normal.

Les chercheurs ont également testé les NPCbots sur des souris dont la moelle épinière était complètement sectionnée. Là aussi, les résultats ont été très prometteurs : après 28 jours, les cellules nerveuses des animaux s'étaient reconnectées à l'endroit de la lésion. Au cours de cette période, les souris traitées ont présenté des mouvements de plus en plus normaux : leur démarche, la longueur de leurs enjambées, leur coordination et leur comportement exploratoire se sont nettement améliorés.

Ce résultat est particulièrement significatif car, contrairement au poisson zèbre, la moelle épinière de la souris ne se régénère pas normalement. Le traitement a été bien toléré par les animaux, sans aucun signe d'effets indésirables ou de réactions immunitaires.

Des succès grâce à une stimulation peu invasive

Ces succès ont été rendus possibles par la stimulation électrique des cellules souches, qui améliore considérablement leur différenciation après la transplantation. Dans ce processus, les nanoparticules convertissent directement les signaux magnétiques en impulsions électriques qui stimulent des cellules souches spécifiques. Lorsqu'ils utilisent les NPCbots, les chercheurs n'ont qu'à appliquer des champs magnétiques externes autour du site de la lésion, ce qui élimine la nécessité d'implanter des électrodes ou des câbles dans les approches précédentes. Ce point est crucial car la moelle épinière est extrêmement sensible. "Le guidage microrobotique rend le traitement plus précis et peu invasif", explique M. Hao.

Les champs magnétiques sont particulièrement bien adaptés à la stimulation des cellules souches parce qu'ils pénètrent facilement dans les tissus et que leur fréquence et leur intensité peuvent être ajustées de manière flexible en fonction de l'application spécifique. Une fois que les cellules progénitrices ont été stimulées et différenciées en cellules nerveuses, les NPCbots se dissolvent essentiellement dans le tissu. Les chercheurs s'attendent à ce que les nanoparticules soient stables et peu réactives en raison de leur revêtement en titanate de baryum. Des études complémentaires détermineront si et comment les particules sont dégradées ou excrétées à long terme.

L'idée peut être élargie si nécessaire

Les résultats de l'expérimentation animale sont extrêmement prometteurs, mais des recherches supplémentaires seront nécessaires avant que les NPCbots puissent être testés chez l'homme. "Outre de nombreux aspects cliniques, nous devons d'abord tester les champs magnétiques qui fonctionnent le mieux chez l'homme et déterminer la durée optimale de la stimulation", explique Hao. Néanmoins, les chercheurs envisagent déjà d'autres applications : "La production reproductible et évolutive de microrobots à l'aide de notre système de laboratoire sur puce démontre que le potentiel d'application de la plateforme va au-delà de la recherche fondamentale", explique le professeur Pané i Vidal. Elle pourrait également être adaptée à d'autres applications biomédicales, par exemple en cardiologie, en oncologie, pour la cicatrisation des plaies et d'autres thérapies régénératives ciblées. Cela pourrait rendre ces traitements plus sûrs, plus contrôlables et plus efficaces.