Les microdocteurs dans notre corps
Pour les thérapies non invasives et sélectives, les chercheurs de l'ETH développent des minuscules objets techniques et biologiques sophistiqués. Parmi eux, des cellules génétiquement modifiées qui peuvent être activées par les ondes cérébrales et des essaims de microrobots qui appliquent des principes actifs avec précision.
Richard Fleischner, le réalisateur du film culte de 1966 "Fantastic Voyage", aurait été ravi de la recherche de Bradley Nelson : comme dans le film de Fleischner, Nelson veut en effet charger de minuscules robots de substances actives et les manœuvrer exactement à l'endroit du traitement nécessaire dans le corps humain, par exemple à l'emplacement d'une tumeur cancéreuse. Alternativement, les minuscules robots pourraient être équipés d'instruments permettant des opérations sans intervention chirurgicale. Les avantages par rapport aux traitements classiques avec des médicaments sont évidents : une thérapie beaucoup plus spécifique et donc moins d'effets secondaires.
Affiner les matériaux et les designs
Nelson n'est pas un fantaisiste ou un conteur, mais un professeur de robotique et de systèmes intelligents à l'ETH Zurich. Il s'est fait un nom dans le monde entier avec ses robots à l'échelle micro et nanométrique. Il est toujours inscrit dans le livre Guinness des records pour le "Most Advanced Mini Robot for Medical Use". Ses robots mesurent typiquement quelques micromètres et s'inspirent de la nature. Des observations sur les micro-organismes, comme par exemple le fonctionnement des flagelles chez les bactéries - une sorte de queue annelée pour se déplacer - lui servent de modèle pour ses propres entraînements mécaniques à l'échelle micrométrique. L'énergie nécessaire à leur déplacement leur est fournie par une impulsion extérieure, par exemple un champ électromagnétique.
Cette vision qui ressemble à de la science-fiction devient peu à peu réalité dans le groupe de Nelson : Lors d'une expérience in vivo sur une souris, elle a pu contrôler avec précision un essaim de 80 000 microrobots et transporter par ce biais un principe actif modèle à des endroits préalablement définis dans le corps de la souris. Néanmoins, les chercheurs doivent encore résoudre un certain nombre de questions avant d'aborder les premières expériences et applications chez l'homme. Les questions de matérialité et de design sont au centre des préoccupations. "Nous ne pouvons pas nous appuyer sur notre intuition pour concevoir de tels robots, car les matériaux se comportent souvent différemment à ces échelles que ce à quoi nous sommes habitués", explique Nelson. Les imprimantes 3D spéciales ont permis d'élargir la palette des matériaux utilisés pour la conception de microrobots, des métaux semi-conducteurs aux matières plastiques. Ainsi, l'année dernière, l'équipe de Nelson a réussi, en collaboration avec ses collaborateurs du groupe de Christofer Hierold, à créer un robot en biopolymère bien toléré, qui se dissout dans le corps une fois le travail terminé.
L'ingénieur va encore plus loin dans sa dernière publication. Les microrobots qui y sont présentés peuvent transformer leur forme en fonction des conditions environnementales. Nelson les appelle donc "robots origami". Un changement de pH dans les fluides corporels, une différence de température ou une impulsion lumineuse servent de stimulus pour le changement de forme. La malléabilité des robots repose sur une structure multicouche avec différents hydrogels. Comme les biopolymères se dilatent ou se raccourcissent différemment sous l'effet d'un stimulus externe, le robot devient malléable.
Une fois de plus, la nature a inspiré le design : la bactérie Trypanosoma brucei, l'agent pathogène de la maladie du sommeil, a une forme étroite et allongée pour se déplacer efficacement dans les fluides corporels. Mais dès que la bactérie se trouve dans la circulation sanguine et ne dépend plus de sa propre propulsion, elle passe à une forme compacte et trapue - une autre option de conception pour un microrobot médical aussi efficace que possible.
"Il y a 15 ans, nous en étions encore au tout début. Mais aujourd'hui, nous pouvons déjà contrôler de nombreux mécanismes de manière très précise", résume Nelson. Le prochain grand défi est l'autonomie : "Nous sommes préoccupés par la question de savoir comment apporter de l'intelligence aux microrobots", car à l'avenir, ces minuscules êtres, une fois lâchés dans le corps, devront trouver eux-mêmes leur destination. Exactement comme le font les organismes unicellulaires naturels depuis des millions d'années.
Les cellules comme systèmes de surveillance biologique
Bradley Nelson n'est pas le seul chercheur de l'ETH à repenser la médecine de fond en comble : Martin Fussenegger, professeur de biotechnologie et de génie biologique, prévoit une petite révolution dans la thérapie médicale. Le fait que nous "remplissions" simplement notre corps de médicaments, la plupart du temps relativement tard, et que nous espérions ensuite obtenir l'effet souhaité, est jugé par Martin Fussenegger comme étant "absurde".
Son équipe au Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) à Bâle emprunte donc une autre voie. Elle veut amener le thérapeute là où se trouve la maladie : "Nous reprogrammons des cellules du corps pour en faire des systèmes de surveillance biologique. Celles-ci réagissent de manière précoce aux maladies dans le corps. "De telles "prothèses moléculaires" doivent compenser les défauts métaboliques responsables de maladies comme le diabète, le cancer ou l'obésité.
Grâce à des méthodes moléculaires standard, il peut reprogrammer les cellules de manière à ce qu'elles produisent et excrètent une substance active souhaitée en cas d'impulsion externe - généralement certaines protéines. Comme impulsion, son équipe utilise la lumière. En effet, en optogénétique, un domaine de recherche encore jeune, de grands progrès ont été réalisés ces dernières années dans la commande ciblée de cellules génétiquement modifiées au moyen de la lumière. Il y a deux ans, Fussenegger a réussi pour la première fois, dans un modèle de souris, à stimuler des cellules humaines modifiées en les exposant à une lumière dans le proche infrarouge pour qu'elles sécrètent une protéine humaine modèle.
L'implant comme usine à substances actives
Pour un contrôle aussi précis que possible, le groupe de Fussenegger a développé un implant en plastique qui réunit la source lumineuse (une minuscule LED infrarouge) et une chambre de culture semi-perméable contenant les cellules génétiquement modifiées. La lampe est ensuite alimentée en courant par induction grâce à un champ électromagnétique externe au corps. Ce système ingénieux ouvre la voie à des thérapies autoguidées : par exemple via un électroencéphalogramme enregistré sur le front du patient. "De tels systèmes de thérapie optogénétique seront un élément important d'une médecine personnalisée", affirme Fussenegger avec conviction. L'implant testé sur un modèle de souris avait encore la taille d'une pièce de deux francs. La prochaine génération ressemble plutôt à une allumette et nécessite nettement moins d'énergie.
"À l'avenir, le courant nécessaire à l'activation de la lampe - et donc à la production de protéines - pourrait également provenir d'un smartphone ou d'une montre", pronostique Fussenegger. Cela ouvrirait de toutes nouvelles possibilités de relation médecin-patient : Le médecin américain pourrait réguler le taux d'insuline d'un patient diabétique en voyage en Europe en activant la production des cellules de conception via Internet. C'est du moins une vision de la médecine dans l'ère à venir de l'Internet des objets.