Une collaboration de recherche de bioingénieurs et de neurochirurgiens a développé une nouvelle solution pour refermer la dure-mère qui, à l'aide d'un biomatériau multifonctionnel, répond aux principales limites des méthodes de réparation actuelles. Crédit : Peter Allen, Ryan Allen et James C. Weaver. MER/MIT/Wyss
L'adhésif Dural Tough, hautement adhésif et mécaniquement résistant, répond à de multiples limitations dans la réparation de la membrane durale tapissant le cerveau et la moelle épinière après un traumatisme et une intervention chirurgicale.
La membrane durale (dure) est la plus externe des trois couches méningées qui tapissent le système nerveux central (SNC), qui comprend le cerveau et la moelle épinière. Ensemble, les méninges fonctionnent comme un amortisseur pour protéger le SNC contre les traumatismes, faire circuler les nutriments dans tout le SNC et éliminer les déchets.
La dure-mère constitue également une barrière biologique essentielle qui contient du liquide céphalo-rachidien (LCR) entourant tous les tissus du SNC. Par conséquent, une blessure spontanée, un traumatisme ou des interventions chirurgicales nécessaires peuvent provoquer une fuite de LCR, ce qui peut menacer la vie, les fonctions neurologiques et le rétablissement des patients.
« En tant que neurochirurgiens, nous ouvrons régulièrement la dure-mère pour accéder au cerveau ou à la moelle épinière, mais parvenir à un joint étanche de la dure-mère à la fin de ces procédures peut s'avérer difficile dans des circonstances particulières », a déclaré Kyle Wu, MD, neurochirurgien et co. -premier et co-auteur correspondant d'une nouvelle étude présentant une solution innovante de réparation durale. « Nos options actuelles sont limitées, consistant en une réparation par suture ou une greffe, qui peuvent être difficiles à réaliser s'il n'y a pas de tissu viable, avec des défauts importants ou lors de chirurgies mini-invasives. Les scellants chirurgicaux actuellement disponibles n'adhèrent pas bien aux tissus humides, sont trop fragile et n’a pas la ténacité requise pour empêcher de manière fiable les fuites de LCR.
Wu est maintenant professeur adjoint au centre médical Wexner de l'Ohio State University et, au début de l'étude, il était résident en neurochirurgie au Brigham and Women's Hospital de Boston et chercheur en innovation chirurgicale au Boston Children's Hospital.
Une nouvelle solution pour refermer la dure-mère a été développée par une équipe collaborative de bio-ingénieurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard et de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), et de neurochirurgiens de le Brigham and Women's Hospital, le Wexner Medical Center et le James Cancer Hospital de l'Ohio State University, qui utilisent un biomatériau multifonctionnel qui répond aux principales limites des méthodes de réparation actuelles et a le potentiel de les supplanter.
Les chercheurs, dirigés par David Mooney, Ph.D., membre fondateur du corps professoral fondateur du Wyss Institute et professeur de bioingénierie de la famille SEAS Robert P. Pinkas, ont démontré que leur « adhésif Dural Tough » (DTA) fonctionnait mieux que les scellants chirurgicaux actuellement utilisés dans des tests utilisant in vivo modèles animaux et tissus d'origine humaine ex vivo. Les résultats sont publiés dans Médecine translationnelle scientifique.
S'inspirer de la nature
Les DTA sont un exemple intéressant d’« ingénierie bioinspirée ». Il y a près de dix ans, le groupe de Mooney, qui avait déjà acquis une expertise dans la conception d'hydrogels dotés de caractéristiques mécaniques distinctes, recherchait des exemples dans la nature qui pourraient aider à trouver de nouvelles solutions pour sceller et régénérer les tissus blessés du corps. « À l'époque, les approches matérielles de la régénération tissulaire se concentraient principalement sur la création d'une forte « adhésion » à diverses surfaces du corps, mais pas tant sur une forte « cohésion » interne ou sur la résistance face aux forces mécaniques des tissus », a déclaré le co-premier auteur Benjamin. Freedman, Ph.D., ancien associé de recherche Wyss dans l'équipe de Mooney. « De plus, ils restaient relativement inefficaces pour adhérer aux surfaces de tissus humides recouvertes par différents fluides corporels. » Leur recherche a conduit le groupe à la limace Dusky Arion (Arion subfuscus), qui sécrète un type particulier de mucus qu'il utilise pour se coller rapidement afin d'empêcher les prédateurs de l'arracher de diverses surfaces.
En imitant en partie les propriétés du mucus de la limace, l'équipe a développé un hydrogel composé de deux réseaux de polymères mélangés : un réseau de molécules d'acrylamide réticulées en permanence qui créent un gel hautement élastique, et un réseau de molécules d'alginate réticulées de manière réversible qui peuvent redistribuer l'énergie produite par les forces mécaniques dans les tissus sous-jacents. Associé à une couche hautement adhésive qui utilise du chitosane, une substance fibreuse à base de sucre dérivée du squelette externe des coquillages, l'hydrogel composite Tough Adhésif (TA) peut se lier à une variété de surfaces recouvertes de liquide en formant plusieurs types d'interactions chimiques. avec eux qui créent en coopération un joint étanche.
« Le groupe Mooney avait déjà avancé des approches d'AT pour la réparation de plusieurs tissus, notamment les surfaces tissulaires blessées, les tendons, les anomalies du tube neural des bébés dans l'utérus, etc. Lorsque le Dr Wu nous a contactés, nous avons adopté la fuite de la membrane durale comme une nouvelle opportunité clinique pour les AT », a déclaré Freedman, qui a dirigé plusieurs applications d'AT au sein de l'équipe de Mooney.
Protection améliorée du cerveau et de la moelle épinière
L’équipe a démontré que le DTA, dont la composition suit la même formulation de base du TA, possède des caractéristiques de réparation supérieures à celles des scellants chirurgicaux existants. Dans ex vivo Des études ont montré que le DTA adhère beaucoup plus fortement aux membranes durales des porcs et peut résister à des pressions plus élevées avant de se rompre, par rapport à un scellant commercial. Une résistance mécanique supérieure est une caractéristique importante des DTA, car une pression intracrânienne accrue peut être rencontrée dans des conditions telles que des tumeurs cérébrales, un accident vasculaire cérébral, un traumatisme, une hypertension intracrânienne idiopathique et une hydrocéphalie.
In vivolorsqu'il est placé directement sur la dure-mère des rats, le DTA a conservé sa structure et était entièrement biocompatible pendant au moins quatre semaines, ne provoquant qu'une irritation minime, comparable aux scellants commerciaux.
L’équipe a montré que les DTA pouvaient offrir les mêmes avantages lorsqu’ils étaient testés sur des tissus cadavériques humains. « À la lumière de la tendance persistante vers des neurochirurgies mini-invasives pour le bénéfice des patients, un scellant dural idéal doit non seulement être une meilleure alternative à la réparation par suture, mais également être plus facile à manipuler et à déployer dans des espaces restreints – les méthodes de réparation actuelles ne sont pas efficaces pour les deux », a déclaré Wu. « En fait, nous avons pu introduire le DTA dans la cavité nasale d'un céphalique cadavérique humain et le placer avec précision sur une zone de fuite de la base du crâne où il a résisté à des pressions intracrâniennes générées artificiellement qui étaient bien au-delà de la plage des pressions, même pathologiques. »
Traduire une partie de leur clé in vitro conclusions à un in vivo Dans cette situation, Mooney, Freedman, Wu et leurs collègues se sont concentrés sur une déchirure du sac dural enveloppant la moelle épinière des porcs. La colonne vertébrale du porc ressemble fortement à celle des humains. Les déchirures durales sont une complication redoutée lors d’une chirurgie de la colonne vertébrale. L’équipe a réussi à sceller les incisions dans la dure-mère avec un patch DTA, ou bien avec le scellant commercial pour la colonne vertébrale DuraSeal à titre de comparaison. Ensuite, ils ont augmenté la pression du fluide dans la moelle épinière, appliquant une manœuvre physiologique que de nombreux neurochirurgiens effectuent pour tester l'intégrité de la réparation durale à la fin des interventions chirurgicales. Alors que les incisions réparées par DTA n'ont jamais connu de fuite avec ces légères augmentations de pression du fluide, les incisions réparées par DuraSeal ont commencé à fuir dans 40 % des cas. Dans le modèle, le DTA résiste également facilement aux fuites, même lorsqu’il est exposé à des pressions de fluide bien supérieures à celles ressenties dans le corps.
« Nous sommes ravis d'avoir ouvert une nouvelle perspective pour les neurochirurgiens avec cette étude qui, à l'avenir, pourrait faciliter diverses interventions chirurgicales et réduire le risque pour les patients qui doivent les subir. Cette étude souligne également à quel point les avancées uniques et bien comprises dans la conception de biomatériaux, comme celles que nous avons réalisées dans notre plateforme Tough Adhésif, ont le potentiel d’avoir un impact sur plusieurs domaines très divers de la médecine régénérative », a déclaré l’auteur principal Mooney.
Les autres auteurs de l'étude sont Wenya Linda Bi, MD, Ph.D., professeure agrégée de neurochirurgie à la Harvard Medical School et au Brigham and Women's Hospital, ainsi que Phoebe Kwon, Matthew Torre et Daniel Kent. Le travail a été soutenu par le Wyss Institute de l'Université Harvard et Instituts nationaux de la santé (sous subvention n° K99/R00AG065495).
