MEDECINE ET ROBOTIQUE

Le journal Science Robotics a publié dans son édition du 22 novembre 2017, le résultat d'une série d'expériences menées conjointement par des chercheurs chinois et britanniques des universités de Hong Kong, Manchester et Edimbourg. Ils ont réussi à fabriquer des robots à partir d'une micro-algue qui a été recouverte de nanoparticules magnétiques. Ces Robots Magnétiques Bio-Hybrides, capables de circuler dans les liquides biologiques (sang, urine, liquide gastrique) sont facilement repérables par imagerie médicale, biodégradables et peu toxiques. Ils pourraient être utilisés pour réaliser du traitement ciblé, en particulier dans les cancers. De surcroit facile à fabriquer, ils pourraient être produit à large échelle à moindre coût. 

La possibilité de fabriquer des micro-robots médicaux téléguidés capables de circuler  dans le corps humain pour en atteindre les endroits les plus inaccessibles est à l’étude depuis plusieurs années. Mais les chercheurs étaient jusqu'à présent confrontés aux défis majeurs de la biodégradabilité et de la toxicité pour les organismes biologiques. Les auteurs annoncent avoir trouvé des solutions techniques qui pourraient bien s'avérer décisives et ouvrir la voie aux applications cliniques. 

Nous présentons et commentons cette recherche dans un article en deux parties. 

PREMIERE PARTIE: LE RESUME DE LA PUBLICATION DES CHERCHEURS.

Comment est fabriqué le robot ? Comment fonctionne -t-il? 

LA COMPOSITION DU ROBOT

Pour fabriquer le robot, l’équipe de recherche a transformé une algue, structure biologique, en corps magnétique. L’expression robot bio-hybride a été choisie pour le dénommer car il associe 2 composés, l’un vivant et l’autre minéral.

La première minute de la video ci-dessous nous le montre en mouvement dans de l'eau lors d'une expérience de laboratoire. Comme on peut le voir il a la forme d'un petit vers, d'environ 100μm.

LE COMPOSE VIVANT: LA MICRO-ALGUE Spirulina Platensis. 

Les chercheurs en cancérologie connaissent déjà cette micro-algue car elle contient un composé capable de tuer les cellules dans la leucémie, le carcinome à petites cellules ou encore l'adénocarcinome du colon. Cette toxicité de la micro-algue est spécifique, c’est à dire qu’elle agresse les cellules cancéreuses sans endommager les cellules normales.  

L’algue possède 2 autres propriétés intéressantes exploitées par les chercheurs. Elle est naturellement fluorescente, ce qui permet de la repérer facilement par imagerie médicale. La taille de son corps peut être modifiée et ajustée pour répondre au mieux aux impératifs de la fabrication du robot. 

LE COMPOSE MINERAL: LA MAGNETITE ( FORMULE: Fe3O4)

Pour fabriquer le robot, les chercheurs ont enduit les algues de nanoparticules de Fe3O4. Elles se lient aux molécules biologiques de surface sans altérer leur structure. La magnétite capte l’énergie magnétique, transformant l’algue en petit robot téléguidé. 

Le Fe3O4 est neutre biologiquement, c’est à dire qu’il est peu agressif pour les cellules humaines. Ses propriétés permettraient aussi d’ajouter de petites structures capables de se lier à des molécules pharmacologiques. La fonction du nanorobot pourrait ainsi évoluer vers la thérapeutique ciblée. 

QUELS ETAIENT LES PROBLEMES A RESOUDRE POUR LES CHERCHEURS? 

Premièrement, pour naviguer dans les liquides biologiques, il est nécessaire de pouvoir suivre le déplacement du robot en temps réel. Pour cela il faut disposer de procédés d’imagerie médicale non invasive. Les chercheurs ont utilisé l’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) et la fluorescence naturelle de l’algue Spilurina Platensis. 

Deuxièmement, ces robots doivent être biodégradables c’est-à-dire, soit s'auto-détruire, soit être éliminé par l’organisme sans causer d’effets secondaires. 

Troisièmement, l’essaim de micro-robots doit pouvoir circuler dans le corps sans endommager les cellules normales. 

COMMENT DEPLACER LE MICRO-ROBOT ? 

Son mouvement est hélicoïdal. Il ne se déplace pas seul mais en grand nombre sous forme d'essaim de près d’un million de robots. 

L’essaim est piloté grâce à un aimant placé à distance du corps de l'animal. Les caractéristiques physiques du champ magnétique envoyé à l'essaim sont déterminées avec précision selon les propriétés magnétiques du robot, sa taille et sa forme. Pour la bonne compréhension des expériences présentées ici, il faut souligner que le champ magnétique qui mobilise le robot n'est pas le même que celui utilisé pour faire l’Imagerie par Résonance Magnétique. 

LE DEPLACEMENT AU SEIN DES LIQUIDES BIOLOGIQUES

Les chercheurs ont obtenu des résultats in vitro très satisfaisants dans plusieurs liquides biologiques: eau, sang, liquide gastrique, urine, huile de cacahuète visqueuse. 

Mais seul le liquide gastrique a été testé in vivo chez le rat. Le robot est superparamagnétique, ceci veut dire qu’il cesse d’être magnétique lorsqu’on arrête le champ énergétique. Ainsi, les robots ne peuvent pas se regrouper et former des conglomérats qui viendraient obturer les vaisseaux sanguins et provoquer des accidents médicaux, ce qui est essentiel pour assurer la sécurité de futures applications cliniques.    

IN VITRO ET IN VIVO

IN VITRO: expériences réalisée en milieu artificiel, en laboratoire

IN VIVO: expériences réalisées dans l'organisme vivant

COMMENT ONT ETE CONDUITES LES EXPERIENCES DE DEPLACEMENT ? 

Les expériences de télé-guidage ont été menées dans l'estomac chez le rat, en laboratoire. A ce jour, il n'y a pas eu d'essai chez l'être humain. 

Après l’avoir introduit dans l’estomac du rat, les chercheurs ont repéré l’essaim par IRM. Ils ont choisi de lui faire traverser l’estomac jusqu'à la zone sous-cutanée recouvrant le ventre de l’animal. Pour cela ils ont appliqué un champ magnétique depuis un aimant situé à proximité. 

Deux imageries à 5 min et 12 min ont été réalisées. Elles ont chacune repéré l’essaim à la position voulue. 

Les chercheurs ont cependant tenu à prouver que le déplacement était bien provoqué par le champs magnétique externe. En effet, d’autres causes aurait pu faire bouger le robot, le mouvement naturel du tube digestif - ou péristaltisme- par exemple. 

Pour le vérifier, ils ont introduit un essaim de robots dans un groupe contrôle, sans appliquer de champ magnétique. L’essaim n’a pas bougé leur donnant la preuve recherchée.

Les auteurs ont ainsi pu conclure qu’il était possible de propulser un essaim de robot bio-hybride au travers d’un estomac de rat et de suivre son déplacement par imagerie par résonance magnétique. 

LA BIO-DEGRADATION. 

Elle est dépendante des propriétés de Fe3O4 et du temps mis à enduire l’algue. Les temps sont choisis en fonction de l’application voulue: imagerie, thérapeutique..

Les temps de dégradation décrit dans les expériences vont de 24 à 72 h mais certains micro-robots persistent jusqu’à 168h si l’enduit est trop épais. 

LA TOXICITE DU ROBOT-BIOHYBRIDE ENVERS LES CELLULES CANCEREUSES

Dans les expériences menées par les chercheurs, le robot a été mis en contact avec des cellules humaines normales ( fibroblastes) puis avec des cellules de cancer du foie et de l’utérus. La cytotoxicité s’est avérée faible pour les cellules normales avec 80 % des cellules viables à 48h et élevée pour les cellules cancéreuses avec, à 48h d’exposition,  10% de survivantes dans le cancer du col de l’utérus et 50% dans le cancer du foie. 

Le robot étant composé de l’algue et de magnétite (Fe3O4), il était important de vérifier la provenance de la toxicité. Les chercheurs ont donc mené des expériences avec Fe3O4 seul. La toxicité de celui-ci est apparue marginale. C’est donc bien l’algue qui est toxique pour le cancer. Mais ces effets cytotoxiques apparaissent moins importants si la couche de Fe3O4 est plus épaisse. 

La toxicité de l’algue Spirulina Platensis envers les cellules cancéreuses est en fait déjà connue des scientifiques. Elle est provoquée par l’un des composants de sa membrane corporelle dénommé C-phyocyanine. Il interfère avec des mécanismes biologiques qui n’existent pas dans la cellule normale, entraînant  la mort des cellules cancéreuses tout en préservant les cellules normales.  

SUITE DE CET ARTICLE: LE COMMENTAIRE DE LA REDACTION DE MEDECINE ET ROBOTIQUE

LES MICRO-ROBOTS CIRCULANTS VONT-ILS OUVRIR UNE NOUVELLE PAGE DE L'HISTOIRE DE LA MEDECINE?

Référence:

Multifunctional biohybrid magnetite microrobots for imaging guided therapy

VIdeo de présentation de l'étude (en anglais) sur le site de Science Robotics 

http://www.sciencemag.org/news/2017/11/robot-made-algae-can-swim-through-your-body-thanks-magnets