Des chercheurs simulent et évaluent les dommages causés aux cellules cérébrales par des bulles lors d’un traumatisme crânien

Des chercheurs simulent et évaluent les dommages causés aux cellules cérébrales par des bulles lors d'un traumatisme crânien

Des chercheurs simulent et évaluent les dommages causés aux cellules cérébrales par des bulles lors d'un traumatisme crânien

L’illustration montre comment un traumatisme crânien peut créer des microbulles dans le crâne qui s’effondrent et endommagent les cellules cérébrales voisines. Crédit: Mica Post

Disons qu’il y a un attentat à la bombe sur une base militaire. Quelques soldats souffrent de commotions cérébrales et d’autres lésions cérébrales. Certaines des blessures pourraient-elles être causées par de minuscules bulles qui se forment et s’effondrent dans le crâne lors d’un traumatisme crânien?

Des chercheurs de l’Université d’État de l’Iowa, avec le soutien de subventions de l’Office of Naval Research, utilisent leur expertise dans la fabrication de microstructures pour étudier et décrire les dommages causés aux cellules cérébrales par la formation et l’effondrement de microbulles – un processus appelé cavitation .

Les chercheurs rapportent leurs résultats dans un article présenté en couverture du numéro de juillet 2020 de la revue de recherche Défis mondiaux. Les auteurs principaux sont Nicole Hashemi, professeure agrégée de génie mécanique dans l’État de l’Iowa, et Alex Wrede, ancien doctorant et associé de recherche postdoctorale dans le laboratoire de Hashemi. (Voir l’encadré pour les autres co-auteurs.)

Les chercheurs écrivent que des microbulles mesurées en microns – c’est-à-dire des millionièmes de mètre – peuvent se former dans le liquide céphalo-rachidien à l’intérieur du crâne lors de lésions cérébrales traumatiques.

Les chercheurs ont écrit que « la formation et l’effondrement dramatique » de ces microbulles pourraient être responsables de certains des dommages causés par une lésion cérébrale.

Les dommages causés par les bulles peuvent sembler insignifiants. Mais l’effondrement des bulles et les ondes de choc qui en résultent endommagent les fondations en acier des hélices des bateaux. Les chercheurs rapportent que des études antérieures indiquent que l’expansion et l’effondrement des microbulles créent des forces de 0,1 à 20 mégapascals, soit 14,5 à 2900 livres par pouce carré.

« … Il est donc alarmant de réaliser les dommages que la cavitation inflige aux tissus cérébraux vulnérables », ont écrit les chercheurs.

À la recherche de changements dans les cellules cérébrales

Pour tester et caractériser l’impact de la cavitation à l’intérieur du crâne, les chercheurs ont simulé un cerveau en créant une plate-forme de culture cellulaire en 3-D pour les cellules astrocytaires (cellules en forme d’étoile dans le cerveau et la moelle épinière qui sont actives dans le soutien, le maintien et la réparation du système nerveux central). Ils ont submergé la plate-forme de culture cellulaire dans un petit réservoir et ont créé des microbulles d’environ 60 millionièmes de mètre. Certaines des microbulles adhéraient à l’échafaudage en microfibre chargé de cellules.

Les chercheurs ont allumé un appareil à ultrasons dans le réservoir, effondrant les microbulles et créant une cavitation. (Ils ont également utilisé l’appareil à ultrasons sur un groupe témoin de cellules non exposées à la cavitation.)

Les chercheurs ont recherché deux types d’effets:

Tout d’abord, ils ont utilisé un microscope inversé pour enregistrer tout changement morphologique des cellules. Deuxièmement, ils ont travaillé avec des collègues du College of Veterinary Medicine de l’Iowa State pour évaluer s’il y avait des changements génétiques dans les cellules.

Les chercheurs ont découvert que la cavitation provoquait le rétrécissement des cellules et rendait leurs surfaces rugueuses. Les cellules semblaient s’allonger et croître lorsque les images étaient prises 22 et 48 heures après la cavitation. Malgré cela, les chercheurs ont découvert que la croissance cellulaire après 48 heures – en termes de surface spécifique – était environ la moitié de celle des cellules témoins.

Les chercheurs ont également découvert que les cellules endommagées par la cavitation avaient une expression élevée de gènes tels que le TNF-α et l’IL-6, qui sont associés à des conditions inflammatoires telles que l’infection par le virus SARS-CoV-2 et des troubles neurologiques tels que les maladies de Parkinson et d’Alzheimer. .

«Pris ensemble, ces résultats confirment que la cavitation environnante est préjudiciable à la fonction astrocytaire», ont écrit les chercheurs.

Concevoir de meilleurs casques

Hashemi a déclaré que tandis que les médecins recherchaient des traitements pour les lésions cérébrales causées par la cavitation, elle a déclaré que les ingénieurs pouvaient travailler pour identifier les endroits du cerveau où la cavitation est le plus susceptible de se produire.

« Une carte de localisation de l’occurrence de cavitation peut être directement utilisée pour concevoir un casque qui amortit la force et réduit la possibilité de cavitation », ont écrit les chercheurs.

Et bien que cette étude se concentre sur les casques militaires, Hashemi a déclaré que les mêmes idées pourraient être appliquées aux casques pour le football et d’autres sports.

« Cette recherche examine les applications sur le champ de bataille, mais dans le football, il y a des impacts et des ondes de choc similaires », a déclaré Hashemi. « Les joueurs souffrent de formes légères de lésions cérébrales traumatiques. Les joueurs ne s’en rendent peut-être pas compte, mais les effets des blessures par cavitation seraient là. »

Wrede, l’ancien étudiant diplômé de Hashemi qui travaille maintenant comme ingénieur en modélisation de systèmes dynamiques pour John Deere à Dubuque, a déclaré que le projet lui avait appris qu’il y avait un grand besoin de recherche et développement supplémentaires.

«Les gens qui ont servi notre pays et qui reviennent blessés comptent vraiment sur la recherche pour trouver des réponses», a-t-il déclaré. « Les réponses pourraient améliorer la qualité de vie de nos anciens combattants et de tous ceux qui ont la malchance de subir un traumatisme crânien. »


Les chercheurs proposent une définition généralisée de l’intensité de cavitation


Plus d’information:
Alex H.Wrede et al, Caractérisation de la réponse astrocytaire après avoir subi une cavitation in vitro, Défis mondiaux (2020). DOI: 10.1002 / gch2.201900014

Fourni par l’Université d’État de l’Iowa

Citation: Des chercheurs simulent et évaluent les dommages causés aux cellules cérébrales par des bulles lors d’un traumatisme crânien (23 juillet 2020) récupéré le 23 juillet 2020 sur https://medicalxpress.com/news/2020-07-simulate-brain-cells-trauma.html

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