Les chercheurs de l’ETH Zurich ont étudié comment les minuscules bulles de gaz peuvent fournir des médicaments dans les cellules de manière ciblée en utilisant l’échographie. Pour la première fois, ils ont visualisé comment les minuscules jets liquides cycliques générés par les microbulles pénètrent dans la membrane cellulaire, permettant l’absorption du médicament.
Le traitement ciblé des maladies cérébrales tels que la maladie d’Alzheimer, de Parkinson ou du cerveau est difficile car le cerveau est un organe particulièrement sensible qui est bien protégé. C’est pourquoi les chercheurs travaillent sur des moyens de fournir des médicaments au cerveau précisément, via la circulation sanguine. L’objectif est de surmonter la barrière hémato-encéphalique, qui ne permet normalement que certains nutriments et oxygène.
Les microbulles qui réagissent à l’échographie sont une méthode particulièrement prometteuse pour ce type de thérapie. Ces microbulles sont plus petites qu’un globules rouges, sont remplies de gaz et ont un revêtement spécial des molécules de graisse pour les stabiliser. Ils sont injectés dans la circulation sanguine avec le médicament, puis activés sur le site cible en utilisant l’échographie. Le mouvement des microbulles crée de minuscules pores dans la membrane cellulaire de la paroi du vaisseau sanguin que le médicament peut ensuite traverser.
La façon dont exactement les microbulles créent ces pores n’était pas claire auparavant. Maintenant, un groupe de chercheurs de l’ETH, dirigé par Outi Supponen, professeur à l’Institut de dynamique des fluides, a pu démontrer pour la première fois comment ce mécanisme fonctionne.
« Nous avons pu montrer que sous échographie, la surface des microbulles perd sa forme, entraînant de minuscules jets de liquide, soi-disant microjet, qui pénètrent dans la membrane cellulaire », explique Marco Cattaneo, doctorant de Supponen et auteur principal de la étude qui était récemment publié dans Physique de la nature.
Microbubble à ultrasons affichant des jets induits par un mode de forme avec un nombre d’onde angulaire l = 4. Le champ de vision est de 40 × 40 μm2 et la vitesse d’enregistrement est de 10 millions de trames par seconde. Crédit: Physique de la nature (2025). Doi: 10.1038 / s41567-025-02785-0
La force invisible: microjet liquide à 200 km / h
Jusqu’à présent, personne ne savait comment les pores de la membrane cellulaire se sont formés. Les microbulles ne mesurent que quelques micromètres à travers et vibrent jusqu’à plusieurs millions de fois par seconde sous échographie. Il s’agit d’un processus incroyablement difficile à observer et qui nécessite une configuration spéciale en laboratoire.
« Jusqu’à présent, la plupart des études ont examiné le processus d’en haut au microscope conventionnel. Mais lorsque vous faites cela, vous ne pouvez pas voir ce qui se passe entre la microbulle et la cellule », explique Cattaneo. Les chercheurs ont donc construit un microscope avec un grossissement de 200x, ce qui leur permet d’observer le processus de côté, et de le connecter à une caméra à grande vitesse qui peut prendre jusqu’à 10 millions d’images par seconde.
Pour leur expérience, ils ont imité la paroi des vaisseaux sanguins à l’aide d’un modèle in vitro, croissant les cellules endothéliales sur une membrane en plastique. Ils ont placé cette membrane sur une boîte avec des murs transparents remplis d’une solution saline et d’un médicament modèle, avec les cellules face à un couvercle. La microbubble remplie de gaz a atteint automatiquement le sommet et a pris contact avec les cellules. Les microbulles ont ensuite été réglées pour vibrer par une impulsion d’échographie par microsecondes.
« À une pression d’échographie suffisamment élevée, les microbulles cessent d’osciller dans une forme sphérique et commencent à se remodeler dans des modèles réguliers et non sphériques », explique Supponen. Les « lobes » de ces modèles oscillent cycliquement, poussant vers l’intérieur et vers l’extérieur. Les chercheurs ont découvert qu’au-dessus d’une certaine pression d’échographie, les lobes pliés vers l’intérieur peuvent devenir si profondément enfoncés qu’ils génèrent des jets puissants, traversant toute la bulle et entrant en contact avec la cellule.
Ces microjet se déplacent à une vitesse incroyable de 200 km / h et sont capables de perforer la membrane cellulaire comme un piqûre d’épingle ciblée sans détruire la cellule. Ce mécanisme de jet ne détruit pas la bulle, ce qui signifie qu’un nouveau microjet peut se former à chaque cycle d’échographie.
Physique au service de la médecine
« Un aspect intrigant est que ce mécanisme d’éjection est déclenché à de faibles pressions d’échographie, environ 100 kPa », explique Supponen. Cela signifie que la pression échographique agissant sur les microbulles, et donc sur le patient, est comparable à la pression d’air atmosphérique qui nous entoure tout le temps.
Les chercheurs du groupe de Supponen ont non seulement fait des observations visuelles, mais ont également fourni des explications en utilisant une gamme de modèles théoriques différents. Ils ont pu montrer que les microjet ont de loin le plus grand potentiel de dommages par rapport aux nombreux autres mécanismes qui ont été proposés dans le passé, soutenant fortement l’observation des chercheurs que la membrane cellulaire n’est percée que lorsqu’un microjet est généré.
Cattaneo dit: « Avec notre configuration de laboratoire, nous avons maintenant une meilleure façon d’observer les microbulles et pouvons décrire plus précisément l’interaction cellulaire-microbubble. » Ce système peut également être utilisé pour étudier comment les nouvelles formulations de microbulles développées par d’autres chercheurs réagissent à l’échographie, par exemple.
Supponen ajoute: « Notre travail clarifie les fondements physiques de l’administration ciblée de médicaments par des microbulles et nous aide à définir des critères pour leur utilisation sûre et efficace. » Cela signifie que la bonne combinaison de fréquence, de pression et de taille des microbules peut aider à maximiser le résultat de la thérapie, tout en garantissant une plus grande sécurité et un risque plus faible pour les patients.
« De plus, nous avons pu montrer que seulement quelques impulsions d’échographie sont suffisantes pour perforer une membrane cellulaire. C’est également une bonne nouvelle pour les patients », explique Supponen. À l’inverse, le revêtement des microbulles peut également être optimisé pour la fréquence d’échographie requise, ce qui facilite la formation des Jets.
Plus d’informations:
Marco Cattaneo et al, jetage cyclique permet l’administration de médicaments à médiation microbuble, Physique de la nature(2025). Doi: 10.1038 / s41567-025-02785-0