Un nouveau dispositif chirurgical, inspiré du mécanisme de préhension des dents de python, a été développé pour améliorer le taux de réussite des chirurgies de la coiffe des rotateurs. Cette innovation des chercheurs de l'Université de Columbia peut renforcer considérablement les réparations tendon-os, réduisant potentiellement de moitié le problème courant de la nouvelle déchirure postopératoire.
Université de Colombie a introduit un dispositif chirurgical inspiré des dents de python visant à renforcer les réparations de la coiffe des rotateurs et à réduire la déchirure des tendons, en tirant parti de l'impression 3D pour la personnalisation.
Lorsque la plupart des gens pensent aux pythons, ils imaginent l'énorme serpent qui serre et avale ses victimes entières. Mais saviez-vous que les pythons retiennent d'abord leur proie avec leurs dents acérées et recourbées vers l'arrière ? Les chercheurs médicaux savent depuis longtemps que ces dents sont parfaites pour saisir les tissus mous plutôt que de les couper, mais personne n'a encore été capable de mettre ce concept en pratique chirurgicale.
Au fil des années, l'imitation de ces dents à des fins chirurgicales a été un sujet de discussion fréquent dans le laboratoire du Dr Stavros Thomopoulos, professeur d'orthopédie et de génie biomédical à l'Université de Columbia.
Avancées du biomimétisme dans la réparation tendon-os
Chercheur de premier plan axé sur le développement et la régénération de l'attache tendon-os, Thomopoulos s'intéresse particulièrement à l'avancement de la réparation tendon-os, nécessaire à la réparation de la coiffe des rotateurs et à la reconstruction du ligament croisé antérieur. Dans un article publié aujourd'hui (28 juin) par Progrès scientifiques, Son équipe rapporte qu'elle a développé un dispositif inspiré des dents de python en complément de la réparation actuelle par suture de la coiffe des rotateurs et a constaté qu'il doublait presque la force de réparation.
« En vieillissant, plus de la moitié d'entre nous souffriront d'une déchirure de la coiffe des rotateurs entraînant des douleurs à l'épaule et une diminution de la mobilité », a déclaré Thomopoulos, qui occupe des postes conjoints à Columbia Engineering et au Vagelos College of Physicians and Surgeons de Columbia en tant que professeur de biomécanique Robert E. Carroll et Jane Chace Carroll (en chirurgie orthopédique et en ingénierie biomédicale).
« La meilleure intervention médicale est la chirurgie de la coiffe des rotateurs, mais un pourcentage remarquablement élevé de ces réparations échoueront en quelques mois seulement. Notre approche biomimétique suivant la conception des dents de python permet de rattacher plus solidement les tendons aux os. Le dispositif augmente non seulement la solidité de la réparation, mais peut également être personnalisé en fonction du patient. Nous sommes vraiment enthousiasmés par le potentiel de notre dispositif pour améliorer la prise en charge des blessures de la coiffe des rotateurs.
Le schéma du dispositif inspiré d'une dent de python interposé entre un tendon et un os améliore considérablement la réparation standard de la coiffe des rotateurs. Crédit : Iden Kurtaliaj/Columbia Engineering
Défis et solutions dans les réparations de la coiffe des rotateurs
Parmi les blessures tendineuses les plus fréquentes, les déchirures de la coiffe des rotateurs touchent plus de 17 millions de personnes aux États-Unis chaque année. L'incidence des blessures augmente avec l'âge : plus de 40 % de la population de plus de 65 ans souffre d'une déchirure de la coiffe des rotateurs.
Étant donné que les déchirures de la coiffe des rotateurs se produisent généralement au niveau du site d’insertion tendon-os, la réparation de la coiffe des rotateurs vise à restaurer anatomiquement l’attache du tendon. La réparation chirurgicale est le traitement principal pour restaurer la fonction de l'épaule, avec plus de 600 000 procédures réalisées chaque année aux États-Unis pour un coût de 3 milliards de dollars.
Cependant, la réinsertion réussie du tendon à l'os reste un défi clinique important. Les taux d'échec sont élevés après la chirurgie, et augmentent avec l'âge du patient et la gravité de la déchirure. Ces taux varient de 20 % chez les patients plus jeunes présentant des déchirures mineures à 94 % chez les patients âgés présentant des déchirures massives. L'échec le plus courant des réparations de la coiffe des rotateurs est la déchirure du tendon par suture au niveau des deux ou quatre points de préhension où les forces se concentrent.
Bien que des progrès aient été réalisés dans les techniques de réparation de la coiffe des rotateurs au cours des 20 dernières années, l'approche fondamentale consistant à coudre deux tissus ensemble est restée largement inchangée, s'appuyant toujours sur des sutures transférant la tension aux points de préhension à forte contrainte. Après une opération de réattachement tendon-os, les sutures peuvent déchirer les tendons à ces points de forte contrainte, un phénomène connu sous le nom de « tirage de suture » ou « cheesewiring », conduisant à un espacement ou à une rupture du site de réparation.
« Nous avons décidé de voir si nous pouvions développer un dispositif qui imite la forme des dents de python, qui saisirait efficacement les tissus mous sans les déchirer et aiderait à réduire le risque de nouvelle déchirure du tendon après une réparation de la coiffe des rotateurs », a déclaré Iden Kurtaliaj, auteur principal de l'étude et ancien doctorant en génie biomédical dans le laboratoire de Thomopoulos.
Un dispositif innovant inspiré des dents de python
L'idée originale de l'équipe était de copier la forme des dents d'un python, mais ils sont allés bien plus loin, en utilisant des simulations, l'impression 3D et ex vivo des expériences sur des cadavres pour explorer la relation entre la forme des dents et les mécanismes de préhension et de coupe. Kurtaliaj a fabriqué une gamme de modèles de dents, des dents individuelles optimisées, des séries de dents et enfin une série de dents spécifiques à la coiffe des rotateurs.
Le résultat final était un dispositif biomimétique, constitué d’une résine biocompatible – un ensemble de dents posées sur une base incurvée – capable de saisir le tendon, et non de le couper. Les dents sont relativement petites – 3 mm de haut pour une coiffe des rotateurs humains, soit environ la moitié de la longueur d'une agrafe standard – afin qu'elles ne traversent pas le tendon. La base peut être personnalisée par impression 3D pour correspondre à la courbure spécifique au patient de la tête humérale au niveau du site de fixation du tendon du supra-épineux (le tendon de la coiffe des rotateurs le plus souvent déchiré).
« Nous l'avons conçu spécifiquement pour que les chirurgiens n'aient pas besoin d'abandonner leur approche actuelle : ils peuvent simplement ajouter le dispositif et augmenter la résistance de leur réparation », a noté Kurtaliaj.
La recherche collaborative améliore les techniques chirurgicales
Kurtaliaj a dirigé la recherche en tant qu'étudiant au doctorat sous le mentorat des Drs Stavros Thomopoulos et Guy Genin, professeur Harold et Kathleen Faught de génie mécanique à l'Université de Washington à Saint-Louis, avec la contribution pour la mise en œuvre clinique du Dr William Levine, président du département de chirurgie orthopédique du Collège des médecins et chirurgiens de l'Université de Columbia.
« En raison de l'étroite collaboration de notre laboratoire avec des chirurgiens orthopédistes, nous avons été particulièrement chanceux de bénéficier de l'apport du Dr Levine, ainsi que d'autres chirurgiens de Columbia, tout au long du processus de développement de la conception du dispositif », a déclaré Thomopoulos.
Orientations futures en matière de réparation chirurgicale
Les chercheurs travaillent actuellement à la mise au point d'une version bioabsorbable du dispositif qui se dégraderait à mesure que la coiffe des rotateurs se reconstituerait jusqu'à l'os, améliorant ainsi encore son applicabilité clinique. Ils se préparent également à une réunion préalable à la soumission avec la FDA pour faciliter la transition de leur dispositif vers le marché.
Les auteurs sont : Iden Kurtaliaj, Ethan D. Hoppe, Yuxuan Huang, David Ju, Jacob A. Sandler, Donghwan Yoon, Lester J. Smith, Silvio Torres Betancur, Linda Effiong, Thomas Gardner, Liana Tedesco, Sohil Desai, Victor Birman, William N. Levine, Guy M. Genin et Stavros Thomopoulos.
