Des fibres optiques surveillent le cerveau pour détecter les complications mortelles après une blessure
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Une nouvelle étude a démontré qu’un minuscule faisceau de fibres optiques peut mesurer en continu, avec précision et simultanément six biomarqueurs de la santé cérébrale, contribuant ainsi à prévenir les complications graves pouvant suivre un traumatisme crânien.
La technologie de la fibre optique utilise des impulsions lumineuses pour transmettre des données le long d'un faisceau de fils fins de verre ou de plastique. Il s'agit d'une technologie qui, le plus souvent, est étroitement associée à Internet, un moyen d'obtenir des choses comme des vitesses de téléchargement et de téléversement plus rapides et une latence réduite.
Une nouvelle étude menée par l'Imperial College de Londres (ICL) a utilisé cette technologie pour améliorer les soins de santé, en particulier le diagnostic et le traitement des gonflements dangereux qui peuvent suivre un traumatisme crânien .
« Une surveillance continue et complète du cerveau est essentielle pour identifier rapidement les changements ou la détérioration des fonctions cérébrales, ce qui permet une intervention rapide et des traitements personnalisés », ont déclaré les chercheurs. « Cependant, les systèmes de surveillance cérébrale existants ont du mal à offrir une surveillance continue et précise de plusieurs biomarqueurs cérébraux simultanément. »
La surveillance cérébrale après un traumatisme crânien est essentielle pour les soins aux patients. Après la lésion initiale, le cerveau gonfle, une réaction retardée appelée lésion secondaire. Le gonflement appuie les tissus cérébraux mous contre le crâne dur et inflexible, provoquant des dommages supplémentaires. La lésion secondaire est la principale cause de décès à l'hôpital. Contrairement à la lésion initiale, la lésion cérébrale secondaire peut être atténuée en surveillant de près des paramètres tels que l'EEG, la pression intracrânienne (PIC), le débit sanguin cérébral et les niveaux d'oxygène dans le cerveau. Des appareils distincts sont actuellement utilisés pour mesurer ces paramètres.
Pour la présente étude, les chercheurs ont profité des avancées technologiques pour créer un faisceau de capteurs à fibre optique qui surveillent simultanément six biomarqueurs indicateurs de la santé du cerveau : la température, le pH et les concentrations d’oxygène dissous, de glucose, d’ions sodium et d’ions calcium. Les biomarqueurs sont mesurés à l’aide du liquide céphalorachidien (LCR), le liquide aqueux qui remplit et entoure le cerveau et la moelle épinière et qui fournit des nutriments, élimine les déchets et agit comme un amortisseur pour ces organes délicats.
Un cathéter contenant le système de détection à fibres optiques groupées est inséré dans le tissu cérébral pour surveiller les biomarqueurs dans le LCR via des films de détection fluorescents sélectifs
Les pointes de six fibres optiques ont été équipées de capteurs fluorescents qui, à l'aide d'un laser à longueurs d'onde multiples, ont permis la mesure sélective et continue de chacun des biomarqueurs. Une fibre optique de rechange a été incluse au cas où elle serait nécessaire pour l'amplification du signal ou un septième biomarqueur. Les fibres ont été regroupées dans un cathéter de 2,5 millimètres d'épaisseur, qui a été initialement inséré dans des modèles cérébraux animaux de lésions cérébrales traumatiques. Des algorithmes d'apprentissage automatique ont été utilisés pour déchiffrer les mesures entrantes des biomarqueurs.
Après avoir démontré que l'appareil pouvait mesurer en continu et avec précision les six biomarqueurs dans le cerveau des animaux, les chercheurs ont validé leurs résultats à l'aide d'échantillons cliniques de LCR humain. Ils ont obtenu des échantillons de 11 patients et ont utilisé le système de détection à fibre optique pour mesurer les biomarqueurs sélectionnés.
« Dans la mesure d’échantillons cliniques de LCR humain, le système de détection multiplexé a démontré une grande précision de détection pour la mesure continue de plusieurs biomarqueurs simultanément avec une sélectivité et une stabilité élevées », ont déclaré les chercheurs. « Par conséquent, nous concluons que le système de détection, associé à des algorithmes intelligents, possède un grand potentiel dans la surveillance multiplexée des biomarqueurs cérébraux profonds pour le traitement des lésions cérébrales traumatiques. »
L’appareil ne se limite toutefois pas à la mesure de six biomarqueurs.
« Dans sa conception actuelle, le système est conçu pour la surveillance simultanée de six biomarqueurs, avec une fibre de réserve pour accueillir un septième biomarqueur », ont déclaré les chercheurs. « Cependant, ce n’est pas la capacité maximale du système. Avec une optimisation minutieuse du connecteur et des dimensions individuelles des fibres, il a le potentiel de mesurer plus de 10 biomarqueurs simultanément. Pour y parvenir, il faudrait des lasers supplémentaires avec des longueurs d’onde différentes pour exciter efficacement tous les capteurs. »
Le dispositif de détection pourrait être utilisé dans divers scénarios cliniques, notamment en cas de lésion cérébrale, d'accident vasculaire cérébral et de résection de tumeur cérébrale.
Les chercheurs affirment que le dispositif de détection pourrait être utilisé dans d’autres situations.
« Le dispositif pourrait également être utilisé avec d’autres modalités », ont-ils déclaré. « La conception à base de fibres optiques du dispositif offre une compatibilité totale avec l’imagerie par résonance magnétique (IRM), ce qui le rend adapté à une utilisation dans les chirurgies guidées par IRM avec des fibres longue distance et des capacités de surveillance à distance. Il pourrait également être intégré à des systèmes d’administration de médicaments, en utilisant des fibres creuses pour mesurer directement les réponses aux interventions pharmacologiques. D’autres études sont nécessaires pour évaluer les performances du système de détection dans divers environnements afin d’explorer pleinement son potentiel dans la détection multiplexée et au-delà. »
Les chercheurs ont expliqué que la petite taille de la sonde et sa composition à base de matériaux souples et hautement biocompatibles réduisent le risque d'endommagement des tissus cérébraux et de déclenchement d'une réaction inflammatoire, ce qui la rend adaptée à une implantation à long terme. Cependant, la biocompatibilité du système doit être évaluée sur des périodes prolongées.
« Le système est peu invasif, multiplexé, sensible, sélectif, robuste et entièrement réversible, et convient aux applications à long terme », concluent les chercheurs. « Il est très prometteur pour une surveillance précise et continue de la physiologie cérébrale profonde, contribuant à l'identification pathologique et à l'orientation clinique dans divers cas cliniques, notamment, mais sans s'y limiter, les lésions cérébrales, les accidents vasculaires cérébraux ischémiques ou hémorragiques et la résection de tumeurs cérébrales. »