Un appareil à ultrasons révolutionnaire pourrait réduire notre dépendance aux analgésiques

La douleur chronique est une affection débilitante qui affecte gravement la qualité de vie et conduit souvent à la dépendance aux médicaments opioïdes, avec leurs effets secondaires graves et les risques de dépendance qu’ils comportent. Selon la U.S. Pain Foundation, 51,6 millions d’Américains vivent avec une douleur chronique. Pour plus de 17 millions d’entre eux, la douleur chronique a un impact important, limitant fréquemment leur vie ou leurs activités professionnelles.

Les stimulateurs électriques implantables actuels offrent une alternative en stimulant la moelle épinière pour empêcher les signaux de douleur d’atteindre le cerveau. Mais ces dispositifs présentent des inconvénients tels qu’un coût élevé, une intervention chirurgicale invasive et la nécessité de remplacer fréquemment les piles. Aujourd’hui, des chercheurs du laboratoire Zhou du département Alfred E. Mann d’ingénierie biomédicale de l’USC Viterbi, en collaboration avec le groupe Jun Chen de l’UCLA, ont mis au point une solution révolutionnaire : un stimulateur flexible implantable sans fil induit par ultrasons (UIWI) fixé à la colonne vertébrale et conçu pour une gestion personnalisée et auto-adaptative de la douleur chronique.

Ce dispositif révolutionnaire, décrit dans la revue Nature Electronics, représente une avancée significative dans le traitement de la douleur. Alors que les stimulateurs actuels de la moelle épinière peuvent être encombrants et reliés à des batteries, le nouveau dispositif est conçu pour se plier et se tordre en fonction des mouvements et est alimenté par un émetteur d’ultrasons portable, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser une batterie. Il exploite également des algorithmes d’apprentissage automatique pour personnaliser le traitement pour chaque patient. 

Les travaux ont été menés par le Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering Qifa Zhou, qui est également professeur d’ophtalmologie à la Keck School of Medicine de l’USC.

Soulagement de la douleur à la demande : Comment fonctionne le stimulateur implantable

Le nouveau dispositif implantable du laboratoire Zhou pour le traitement de la douleur chronique est petit et flexible. Image/Zhou Lab
Le nouveau dispositif implantable du Zhou Lab pour le traitement de la douleur chronique est petit et flexible. Image/Zhou Lab

Au cœur de cette innovation se trouve l’alimentation électrique sans fil, qui élimine le besoin de piles encombrantes et d’interfaces câblées complexes qui nécessitent souvent des interventions chirurgicales répétées. Le stimulateur UIWI reçoit son énergie d’un émetteur d’ultrasons externe et portable (WUT). Les ultrasons constituent une méthode sûre, efficace et non invasive de pénétration des tissus profonds. Le dispositif convertit les ondes mécaniques en signaux électriques par un phénomène appelé effet piézoélectrique. Le cœur du stimulateur UIWI est un élément piézoélectrique miniaturisé en titanate de zirconate de plomb (PZT), un matériau très efficace pour convertir l’énergie ultrasonore entrante en puissance électrique nécessaire à la stimulation.

« Ce qui distingue vraiment ce dispositif, c’est sa capacité sans fil, intelligente et auto-adaptative à gérer la douleur », a déclaré M. Zhou. « Nous pensons qu’il offre un grand potentiel pour remplacer les schémas pharmacologiques et les approches conventionnelles de stimulation électrique, en s’alignant sur les besoins cliniques en matière d’atténuation de la douleur.

Yushun (Sean) Zeng, candidat au doctorat dans le laboratoire de Zhou et auteur principal, a déclaré que le stimulateur miniaturisé intelligent sans fil avait la capacité de produire une intensité de stimulation électrique suffisante en utilisant l’énergie des ultrasons, ce qui permet un traitement plus personnalisé, plus ciblé et plus localisé.

« Ce type de conversion d’énergie est essentiel pour la stimulation en profondeur, car les ultrasons sont une énergie non invasive et très pénétrante dans les domaines cliniques et médicaux », a déclaré M. Zeng. « En tirant parti du transfert d’énergie ultrasonique sans fil et du système de rétroaction en boucle fermée, ce stimulateur UIWI élimine la nécessité d’implanter des piles encombrantes et permet une modulation de la douleur en temps réel, réglable avec précision.

« D’un point de vue clinique, l’intégration d’une évaluation de la douleur basée sur l’apprentissage profond permet une interprétation et une réponse dynamiques aux états douloureux fluctuants, ce qui est essentiel pour tenir compte de la variabilité spécifique au patient », a ajouté Chen Gong, candidat au doctorat du laboratoire Zhou, également auteur principal de l’article.

Le dispositif fonctionne de la manière suivante:

• Détection de la douleur : Le système surveille en permanence les enregistrements cérébraux, en particulier les signaux de l’électroencéphalogramme (EEG), qui reflètent les niveaux de douleur du patient.
• Exploitation de l’IA pour évaluer les niveaux de douleur : Un modèle sophistiqué d’apprentissage automatique, basé sur un réseau neuronal appelé ResNet-18, analyse ces signaux cérébraux et classe la douleur en trois niveaux distincts : douleur légère, douleur modérée et douleur extrême. Ce modèle d’IA peut se targuer d’une précision globale de 94,8 % dans la distinction entre ces états de douleur.
• Adapter le traitement en fonction des besoins : Une fois le niveau de douleur identifié, l’émetteur d’ultrasons portable ajuste automatiquement l’énergie acoustique qu’il transmet. Le stimulateur UIWI peut alors détecter l’énergie propagée et la convertir en intensité électrique, stimulant ainsi la moelle épinière. Il s’agit d’un système en boucle fermée qui permet de gérer la douleur de manière personnalisée et en temps réel.

Le stimulateur UIWI lui-même est flexible, pliable et vrillable, ce qui permet de le placer de manière optimale sur la moelle épinière. La stimulation électrique qu’il fournit à la moelle épinière rééquilibre les signaux qui transmettent et inhibent la douleur, supprimant ainsi efficacement la sensation de douleur.

Un succès démontré en laboratoire

L’équipe du laboratoire Zhou a testé le stimulateur UIWI sur des modèles de rongeurs, et les résultats obtenus démontrent son efficacité dans la gestion de la douleur.

Les chercheurs ont réussi à soulager la douleur neuropathique chronique causée par des stimuli mécaniques (comme une piqûre d’épingle) et des stimuli thermiques aigus (chaleur infrarouge).

Les tests en laboratoire ont montré que le traitement par le stimulateur UIWI entraînait une réduction significative des indicateurs de douleur. Lors d’une expérience visant à évaluer si un animal associe un environnement au soulagement de la douleur, les rongeurs ont montré une nette préférence pour la chambre dans laquelle le système de gestion de la douleur était activé, ce qui confirme l’efficacité du dispositif.

L’avenir du soulagement personnalisé de la douleur

La réussite du développement et de l’essai du stimulateur UIWI marque un tournant dans la quête d’une gestion avancée de la douleur. La conception flexible de l’implant et son intégration avec des algorithmes d’intelligence artificielle sophistiqués offrent une approche thérapeutique dynamique et personnalisée qui peut s’adapter à la nature fluctuante et très individuelle de la douleur chronique.

À l’avenir, M. Zhou et ses collaborateurs espèrent des applications encore plus avancées du dispositif. M. Zhou a déclaré que les conceptions futures pourraient miniaturiser davantage les composants, ce qui permettrait d’implanter le dispositif de manière moins invasive, par exemple à l’aide d’une seringue. Le transmetteur d’ultrasons portable pourrait également évoluer vers un dispositif miniaturisé non attaché ou même un patch à ultrasons portable, combinant potentiellement des capacités d’imagerie avec la délivrance d’énergie pour une surveillance en temps réel et une stimulation ciblée. Les futures versions pourraient également être contrôlées par un logiciel de smartphone, offrant ainsi une gestion personnalisée de la douleur encore plus robuste.

M. Zhou a déclaré que l’objectif du dispositif était de transformer la gestion de la douleur chronique, en dépassant les limites des solutions actuelles pour offrir une voie véritablement personnalisée, intelligente et efficace vers le soulagement de la douleur.