Les scientifiques ont collaboré pour créer le premier « fantôme cérébral » imprimé en 3D au monde, en utilisant une technique spéciale d’imagerie par résonance magnétique (IRMd) pour modéliser les fibres cérébrales. Cette avancée vise à améliorer la recherche sur les maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques en améliorant la précision du logiciel d’analyse IRMd grâce à l’utilisation de ces modèles cérébraux détaillés.
Le nouveau modèle a le potentiel d’accélérer la recherche sur les maladies neurodégénératives.
Dans le cadre d’un projet commun entre MedUni Vienna et TU Wien, le premier « fantôme cérébral » imprimé en 3D au monde a été développé, modélisé sur la structure des fibres cérébrales et pouvant être imagé à l’aide d’une variante spéciale de l’imagerie par résonance magnétique (IRMd).
Comme une équipe scientifique dirigée par MedUni Vienna et TU Wien l’a montré dans une étude, ces modèles cérébraux peuvent être utilisés pour faire progresser la recherche sur les maladies neurodégénératives telles que Alzheimer, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques. Les travaux de recherche ont été publiés dans la revue Technologies des matériaux avancés.
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique d’imagerie diagnostique largement utilisée principalement pour examiner le cerveau. L’IRM peut être utilisée pour examiner la structure et le fonctionnement du cerveau sans recourir à des rayonnements ionisants. Dans une variante spéciale de l’IRM, l’IRM pondérée en diffusion (IRMd), la direction des fibres nerveuses dans le cerveau peut également être déterminée. Cependant, il est très difficile de déterminer correctement la direction des fibres nerveuses aux points de croisement des faisceaux de fibres nerveuses, car des fibres nerveuses de directions différentes s’y chevauchent.
Afin d’améliorer encore les méthodes d’analyse et d’évaluation des processus et des tests, une équipe internationale en collaboration avec l’Université médicale de Vienne et la TU Wien a développé un soi-disant « fantôme cérébral », qui a été produit à l’aide d’un processus d’impression 3D haute résolution.
Petit cube avec microcanaux
Des chercheurs de l’Université de médecine de Vienne en tant qu’experts en IRM et de la TU Wien en tant qu’experts en impression 3D ont travaillé en étroite collaboration avec des collègues de l’Université de Zurich et du centre médical universitaire de Hambourg-Eppendorf. En 2017, un deuxphoton Une imprimante à polymérisation a été développée à la TU Wien pour permettre une impression à grande échelle.
Dans ce cadre, des travaux ont également été menés sur les fantômes cérébraux comme cas d’utilisation en collaboration avec l’Université de médecine de Vienne et l’Université de Zurich. Le brevet qui en résulte constitue la base du fantôme cérébral qui a maintenant été développé et est supervisé par l’équipe de recherche et de soutien au transfert de TU Wien.
Visuellement, ce fantôme n’a pas grand chose à voir avec un vrai cerveau. Il est beaucoup plus petit et a la forme d’un cube. À l’intérieur se trouvent des microcanaux extrêmement fins et remplis d’eau, de la taille de nerfs crâniens individuels. Le diamètre de ces canaux est cinq fois plus fin qu’un cheveu humain. Afin d’imiter le réseau fin de cellules nerveuses du cerveau, l’équipe de recherche dirigée par les premiers auteurs Michael Woletz (Centre de physique médicale et d’ingénierie biomédicale, MedUni Vienne) et Franziska Chalupa-Gantner (groupe de recherche sur l’impression 3D et la biofabrication, TU Wien ) a utilisé une méthode d’impression 3D assez inhabituelle : la polymérisation à deux photons.
Cette méthode haute résolution est principalement utilisée pour imprimer des microstructures dans la gamme nanométrique et micrométrique – et non pour imprimer des structures tridimensionnelles dans la gamme des millimètres cubes. Afin de créer des fantômes d’une taille appropriée pour l’IRMd, les chercheurs de la TU Wien ont travaillé à l’amélioration du processus d’impression 3D et à la possibilité d’imprimer des objets plus grands avec des détails à haute résolution. L’impression 3D à grande échelle fournit aux chercheurs de très bons modèles qui, visualisés sous IRMd, permettent d’attribuer diverses structures nerveuses.
Michael Woletz compare cette approche visant à améliorer les capacités de diagnostic de l’IRMd avec le fonctionnement d’un appareil photo de téléphone portable : « Nous constatons les plus grands progrès en photographie avec les appareils photo de téléphone portable, pas nécessairement dans de nouveaux objectifs plus performants, mais dans le logiciel qui améliore les images capturées. . La situation est similaire avec l’IRMd : grâce au fantôme cérébral nouvellement développé, nous pouvons ajuster le logiciel d’analyse de manière beaucoup plus précise et ainsi améliorer la qualité des données mesurées et reconstruire plus précisément l’architecture neuronale du cerveau.
Logiciel d’analyse des trains fantômes cérébraux
La reproduction authentique des structures nerveuses caractéristiques du cerveau est donc importante pour « l’entraînement » du logiciel d’analyse IRMd. L’utilisation de l’impression 3D permet de créer des conceptions diverses et complexes pouvant être modifiées et personnalisées. Les fantômes cérébraux représentent ainsi des zones du cerveau qui génèrent des signaux particulièrement complexes et donc difficiles à analyser, comme les voies nerveuses qui se croisent.
Afin de calibrer le logiciel d’analyse, le fantôme cérébral est donc examiné par IRMd et les données mesurées sont analysées comme dans un cerveau réel. Grâce à l’impression 3D, la conception des fantômes est connue avec précision et les résultats de l’analyse peuvent être vérifiés. MedUni Vienne et TU Wien ont pu montrer que cela fonctionne dans le cadre de travaux de recherche communs. Les fantômes développés peuvent être utilisés pour améliorer l’IRMd, ce qui peut bénéficier à la planification des opérations et à la recherche sur les maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques.
Malgré la preuve de concept, l’équipe est encore confrontée à des défis. Le plus grand défi à l’heure actuelle est de développer la méthode : « La haute résolution de la polymérisation à deux photons permet d’imprimer des détails de l’ordre du micro et du nanomètre et est donc très adaptée à l’imagerie des nerfs crâniens. Mais en même temps, il faut beaucoup de temps pour imprimer avec cette technique un cube de plusieurs centimètres cubes », explique Chalupa-Gantner. « Nous cherchons donc non seulement à développer des designs encore plus complexes, mais également à optimiser davantage le processus d’impression lui-même. »
