Une nouvelle génération d'implants "intelligents" pourrait remplacer les médicaments traditionnels

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Le pacemaker moderne est une merveille médicale. Pas plus grand qu'une boîte d'allumettes, ce dispositif implanté envoie des impulsions électriques au cœur humain pour qu'il continue à battre régulièrement. Dans le monde, 1,25 million de stimulateurs cardiaques sont installés chaque année, ce qui améliore considérablement la qualité de vie des patients dont le cœur bat anormalement et rétablit l'espérance de vie à des niveaux normaux pour certains individus.

Si le dispositif physique s'est constamment amélioré au cours des dernières décennies, depuis l'installation du premier stimulateur cardiaque totalement implantable en 1958, l'idée de base d'un stimulateur cardiaque n'a pas changé. Des électrodes implantées surveillent votre rythme cardiaque et si celui-ci devient anormal, le dispositif peut délivrer des impulsions électriques pour déclencher la contraction de vos muscles cardiaques afin qu'ils continuent à pomper le sang dans votre corps. Que vous soyez endormi ou que vous couriez un marathon, le stimulateur cardiaque doit permettre à votre cœur de continuer à battre au même rythme de manière fiable.

Mais certains pensent que le stimulateur cardiaque pourrait faire beaucoup plus.

Plutôt que de simplement secouer nos tissus cardiaques lorsqu'ils ne battent pas par eux-mêmes, les dispositifs implantables pourraient surveiller et diagnostiquer les signes de maladie, aider à gérer les maladies chroniques et même fournir de nouveaux types de traitement que nous pourrions simplement télécharger comme une application sur notre téléphone.

En se connectant directement au réseau de nerfs qui parcourent notre corps, une nouvelle génération de dispositifs semblables à des stimulateurs cardiaques pourrait être utilisée pour lutter contre le diabète, l'arthrite et la maladie de Parkinson, ainsi que pour améliorer le contrôle de la vessie et offrir une meilleure gestion de la douleur.

"Les stimulateurs cardiaques ont fait un excellent travail pour l'arythmie (battements irréguliers), mais ils ne traitent pas l'hypertension (pression artérielle élevée) ni de nombreuses autres maladies chroniques", explique Oliver Armitage, co-fondateur et directeur scientifique de la start-up biomédicale Bios, qui tente de créer une nouvelle génération d'implants médicaux.

Alors, comment pouvons-nous améliorer les pacemakers ?

Le corps humain abrite son propre stimulateur cardiaque naturel - un réseau de fils biologiques que nous appelons nerfs qui envoient des signaux électriques, ainsi que des messages chimiques, à tous les principaux organes et tissus de votre corps. Au cours des 20 dernières années, un domaine connu sous le nom de bioélectronique a tenté d'exploiter directement ces signaux.

Les dispositifs bioélectroniques sont une évolution de l'industrie des stimulateurs cardiaques. Ils tentent de reproduire les signaux neuronaux, en se connectant au corps pour contrôler l'activité des circuits neuronaux dysfonctionnels qui sont à l'origine des maladies. Les stimulateurs cérébraux profonds sont un exemple bien connu de ces dispositifs et ont été utilisés pour aider à contrôler les tremblements, la rigidité et les problèmes de mouvement associés à la maladie de Parkinson en envoyant un signal électrique dans le cerveau. Les dispositifs de neurostimulation ont également été utilisés pour traiter des affections telles que l'épilepsie dans des situations où le traitement médicamenteux a échoué.

Mais les implants bioélectroniques actuels sont des instruments contondants qui ne tiennent pas compte de certains changements importants dans notre corps. En effet, les scientifiques se sont efforcés de comprendre les schémas exacts des signaux neuronaux - connus sous le nom de biomarqueurs neuronaux - qui affectent notre santé.

Si vous considérez cette information comme un langage, les biomarqueurs sont les mots individuels. Les biomarqueurs neuronaux sont un type de biomarqueurs. À mesure que nous en comprenons davantage, nous pouvons commencer à comprendre le langage du système nerveux humain et ce qu'il nous dit sur notre corps.

Ce n'est pas tout. Une fois que nous comprenons les signaux neuronaux, nous pouvons effectivement "répondre" à notre corps en utilisant des dispositifs implantables pour administrer de manière autonome des traitements au patient par la stimulation de nerfs spécifiques.

L'attrait d'un dispositif implantable est facile à comprendre. Lorsqu'il fonctionne correctement, il devrait automatiquement surveiller et administrer un traitement sans que le patient en soit conscient.

" Un pacemaker traite l'arythmie d'un patient tout comme un bêta-bloquant peut également la traiter ", explique M. Armitage. "Mais un stimulateur cardiaque est plus puissant qu'un médicament car le patient n'a plus à penser à cette maladie".

Cela peut aider à éviter des problèmes tels que la non-observance des médicaments prescrits. Les recherches révèlent que rien qu'aux États-Unis, 125 000 décès et au moins 10 % des hospitalisations sont causés par des patients qui ne prennent pas la dose recommandée de leurs médicaments.

En décodant les messages qui passent par vos nerfs et en réagissant à ces informations, les dispositifs implantables de nouvelle génération devraient pouvoir surveiller les pathologies et fournir le traitement nécessaire.

Par exemple, si vous faites un exercice physique intense, l'appareil capte ce changement à partir des signaux nerveux et augmente votre rythme cardiaque pour l'adapter à votre niveau d'activité.

Ou, si votre rythme cardiaque doit ralentir progressivement avec l'âge, l'appareil implantable s'adaptera à ce changement physiologique. De plus, il pourrait alerter un clinicien si une maladie cardiaque progresse ou émerge dans votre corps, ce qui lui permettrait de faire un pronostic médical proactif.

Ce n'est pas une mince affaire, car le dispositif implantable doit décoder vos messages neuronaux et réagir en temps réel en transmettant un autre message à votre cerveau, ce qui fait réagir l'organe cible.

Mais les données neurales sont incroyablement bruyantes et complexes. Le cœur humain ne fonctionne pas tout seul, son activité est influencée par d'autres facteurs et messages provenant d'autres organes, comme la vitesse à laquelle vous respirez, ce que vous venez de manger, etc.

Pour décoder avec précision toutes ces informations, nous avons besoin de plus de données neurales et de meilleures techniques d'interprétation afin de pouvoir écouter les bons messages nécessaires pour comprendre le langage du corps humain. Les scientifiques se sont tournés vers une forme d'intelligence artificielle connue sous le nom d'apprentissage automatique pour les aider à y parvenir.

L'équipe a enregistré des données neurales brutes par le biais d'interfaces neuronales que Bios a développées, les plaçant à côté des enregistrements de signaux physiologiques tels que le rythme cardiaque, la pression sanguine, les niveaux de glucose, la température du corps et les niveaux d'activité physique. Ils ont pu synchroniser des mois de données neurales et physiologiques continues sur des échelles de temps suffisamment longues pour que leurs algorithmes d'IA puissent identifier des modèles qui pointent vers des biomarqueurs neuronaux persistants, et comment ils sont liés aux changements dans le fonctionnement des organes.

"Ce que nous apportons, c'est une capacité d'apprentissage algorithmique avancée dans des dispositifs implantables", explique M. Armitage.

Au fur et à mesure que l'algorithme apprend d'un individu, il peut personnaliser ses réponses automatisées aux besoins de chaque patient. Ces "interfaces neuronales bidirectionnelles" peuvent également dresser un tableau clinique du patient au fil du temps et cartographier l'évolution de sa maladie, ce qui permet aux cliniciens de créer des plans de soins personnalisés pour chaque individu.

"Nous cherchons essentiellement à savoir comment fournir des traitements adaptés aux maladies chroniques par le biais d'algorithmes via le système nerveux au lieu de se fier uniquement aux produits pharmaceutiques", ajoute M. Armitage.

Les implants de Bios seront utilisés dans des essais cliniques sur l'homme au cours des prochaines années, dans un premier temps sur des personnes amputées du haut du corps. En effet, les signaux neuronaux nécessaires pour déplacer un bras sont plus faciles à évaluer et moins complexes que ceux nécessaires pour maintenir un cœur - ou un poumon - ou un pancréas en bonne santé.

Armitage prédit cependant que nous verrons dans les trois à cinq prochaines années des "dispositifs réactifs personnalisés" qui pourraient traiter toute une série de maladies, notamment l'hypertension, le diabète, le contrôle de la vessie et la douleur chronique.

En fin de compte, Bios espère que sa technologie fournira une plate-forme sur laquelle les cliniciens pourront s'appuyer pour développer de nouveaux traitements. Par exemple, un clinicien pourrait mettre au point un traitement neural pour une maladie spécifique, tout comme il le ferait avec une application pour téléphone portable qui fonctionnerait sur la plateforme de Bios, en décomposant une maladie chronique en un simple algorithme.

"La technologie que nous développons est en fait une plateforme de lecture et d'écriture pour le système nerveux, de sorte que la pathologie que nous traitons est alors un algorithme", explique M. Armitage.

Même si chaque traitement spécifique devra passer par les tests et les processus réglementaires appropriés, cela pourrait réduire considérablement le délai de mise sur le marché car la plateforme d'IA et le dispositif implantable sont déjà disponibles.

Décoder le cœur

Mais la clé de cette approche est la capacité à décomposer les maladies en algorithmes. Les scientifiques exploitent l'apprentissage par machine pour comprendre comment un large éventail de signaux de biomarqueurs - tels que des hormones ou des produits biochimiques spécifiques dans le sang - pourraient indiquer des conditions spécifiques pour le cœur et d'autres organes.

Par exemple, les patients diabétiques ont au moins deux fois plus de chances que les non-diabétiques de mourir d'une maladie cardiaque. Mais, si nous savons que le diabète nuit au cœur et sabote sa capacité à produire de l'énergie au niveau cellulaire, nous ne savons toujours pas exactement pourquoi il en est ainsi.

Une équipe de l'université de Virginie occidentale a récemment étudié les biomarqueurs associés au diabète en utilisant des algorithmes d'apprentissage automatique pour rechercher des protéines et des signaux métaboliques dans des échantillons de tissus prélevés sur des patients diabétiques et non diabétiques.

"Au départ, nous avons constaté qu'il n'y avait pas de distinctions claires entre les cohortes de diabétiques et les cohortes de contrôle", explique Quincy Hathaway, un étudiant en médecine de l'université qui a mené cette recherche dans le cadre de sa thèse de doctorat. "Mais l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage machine a permis de dégager plus de détails et d'identifier une signature unique".

Ses travaux pourraient conduire à de meilleurs diagnostics et traitements pour les patients diabétiques souffrant de complications cardiovasculaires. Un clinicien pourrait examiner un échantillon de tissu et identifier des maladies cardiaques particulières à partir de ces biomarqueurs distinctifs. Si nous pouvions identifier les biomarqueurs avec suffisamment de précision à l'avenir, un simple test sanguin pourrait déterminer si un patient est diabétique et risque de développer une maladie cardiaque.

La prochaine étape consiste à continuer à former les algorithmes d'apprentissage machine avec plus de données. Mais cela n'est pas sans difficultés, comme l'ajoute M. Hathaway : "Il faudrait des milliers de patients pour trouver un marqueur distinctif en utilisant un séquençage profond à tous les niveaux génomiques".

Même lorsqu'un marqueur est identifié, il doit être étudié avec soin pour être compris de manière plus complète, ajoute John Hollander, mentor de Hathaway et professeur de physiologie de l'exercice à l'université de Virginie occidentale.

"Ce n'est pas vraiment l'acquisition des données qui est le plus difficile, c'est de comprendre ce que les données signifient dans un contexte plus large", dit-il.

Mais nombreux sont ceux qui voient le potentiel de cette approche. Aux États-Unis, par exemple, le programme SPARC (Stimulating Peripheral Activity to Relieve Conditions) des National Institutes of Health étudie le développement de dispositifs thérapeutiques qui modulent l'activité électrique des nerfs afin d'améliorer le fonctionnement d'un grand nombre d'organes.

Les chercheurs prévoient que certains dispositifs de stimulation cérébrale profonde adaptative de la prochaine génération, qui ciblent des conditions spécifiques, pourraient être disponibles dans deux ou trois ans. Parmi les plus prometteurs, certains sont en cours de développement pour traiter des affections neurologiques, comme la maladie de Parkinson.

Helen Bronte-Stewart, directrice du Stanford Movement Disorders Center, et son équipe travaillent sur un système de stimulation cérébrale profonde adaptative pour cette maladie, qui utilise un capteur porté au poignet pour détecter des symptômes tels qu'une démarche glacée et des tremblements. Ce poignet est relié à un implant dans le cerveau par la technologie Bluetooth, qui produit de minuscules signaux électriques dans le cerveau du patient en fonction de ses symptômes en temps quasi réel.

"Nous en savons aujourd'hui beaucoup plus sur les signaux neuronaux pertinents qu'il y a quelques années", explique M. Bronte-Stewart.

Mais pour surveiller et traiter les maladies de cette manière, il faut exploiter les neurones individuels avec une précision incroyable. La technologie des électrodes actuelles rend la tâche difficile, car différentes électrodes sont utilisées pour stimuler et enregistrer les signaux.

Une équipe de chercheurs de l'université de Melbourne utilise cependant des fibres de carbone recouvertes de diamants dans l'espoir de créer des réseaux d'électrodes qui peuvent faire ces deux tâches pour chaque neurone.

"Avec nos électrodes, je vois une opportunité de s'attaquer à des maladies débilitantes comme la maladie de Parkinson, la démence, la douleur chronique et, peut-être même, la dépression", déclare Melanie Stamp, qui fait partie de l'équipe de recherche de l'université de Melbourne. Bien que les fibres de carbone doivent également être biocompatibles, c'est-à-dire qu'elles réduisent le risque de rejet de l'implant par le corps du patient, Mme Stamp avertit qu'ils doivent encore procéder à des essais cliniques, qui constitueront un test important des performances et de la sécurité des nouvelles électrodes.

Et cela met en évidence un point important pour tous les dispositifs implantables. La nature invasive de la fixation chirurgicale de dispositifs électriques aux nerfs signifie qu'ils doivent faire l'objet d'une évaluation rigoureuse pour s'assurer qu'ils ne déclencheront pas de réactions nocives et involontaires de la part du corps du patient.

Mais il existe peut-être des moyens d'éviter la nécessité d'une intervention chirurgicale.

"Par exemple, des techniques de stimulation cérébrale par ultrasons focalisés sont en cours de développement, qui ne nécessitent pas l'implantation d'électrodes dans le cerveau", explique Fleur Zeldenrust, un neurophysiologiste de l'université Radboud aux Pays-Bas, qui étudie comment la structure du cerveau est liée à sa fonction. "Cela peut, bien sûr, être d'une grande aide pour les patients, car l'implantation d'électrodes comporte toujours un certain risque. Mais cela signifie aussi qu'il devient plus facile de manipuler l'activité cérébrale, avec toutes les implications éthiques qui en découlent".

Il peut cependant y avoir des limites au nombre de maladies qui peuvent être traitées. Le cerveau n'existe pas en silos, mais est un système hautement distribué et interconnecté, ajoute M. Zeldenrust.

"Le traitement qui se fait dans notre cerveau est très distribué", dit-elle, "mais une électrode de stimulation cérébrale profonde influence simultanément toutes les cellules entourant un endroit et cela ne fera qu'activer les neurones qui l'entourent".

Cela signifie qu'il sera difficile de traiter un plus large éventail de symptômes causés par des troubles complexes, car certains neurones devront être stimulés, mais pas d'autres, à plusieurs endroits et à différents moments. Cela n'est pas possible pour l'instant.

Mais malgré les nombreux obstacles techniques et réglementaires qui subsistent, un rapport récent de la Royal Society au Royaume-Uni a conclu que la prochaine génération d'implants d'interfaces neuronales pourrait apporter des avantages très variés.

"En médecine, les technologies neuronales sont appelées à mûrir et à se développer considérablement au cours des prochaines décennies, dépassant potentiellement les produits pharmaceutiques en termes d'efficacité dans certains domaines", affirme-t-il.

Cela soulève la possibilité qu'une visite chez le médecin pourrait bientôt se terminer par le téléchargement d'un algorithme plutôt que par la prise de pilules pour se sentir mieux.

dimanche 15 novembre 2020

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