Présentation générale
La fracture osseuse est une pathologie qui touche toutes les catégories de la population. Les complications éventuelles (consolidation retardée, pseudarthrose) peuvent entraîner des douleurs chroniques et une invalidité physique grave à l’origine de coûts socio-économiques importants. Les stimulateurs ultrasonores apparaissent aujourd’hui comme des dispositifs innovants et prometteurs pour accélérer la cicatrisation et traiter les pathologies associées. Cependant les mécanismes physiques et biologiques sous-jacents demeurent mal identifiés et cette méconnaissance nuit à la pratique clinique. L’objectif de ce projet est donc de mettre en oeuvre des modèles numériques pertinents pour répondre à cette problématique.
Mots clés: Cicatrisation osseuse, ultrasons, mechanostransduction, cavitation, microstreaming, simulation numérique multiphysique
Contexte Clinique
La cicatrisation osseuse
L’os est un matériau vivant capable de se régénérer et de s’adapter aux sollicitations externes pour optimiser ses propriétés et sa structure. Après une fracture, le tissu osseux cicatrise, processus complexe qui lui permet de retrouver une structure, une composition et une fonction optimales. La chronologie de la cicatrisation osseuse peut être schematisée en 3 étapes :
— la phase inflammatoire avec formation d’un hématome fracturaire ;
— la phase de réparation. L’hématome est remplacé par un tissu de faible tenue mécanique qui évolue rapidement en cal fibrocartilagineux puis en cal osseux ;
— la phase de remodelage. L’os néo-formé subit des cycles de résorption et de reconstruction jusqu’à obtention d’un os mature.
De nos jours, dans les pays industrialisés, entre 5 et 10% des fractures présentent des complications : la cicatrisation est parfois anormalement prolongée (delayed union) voire incomplète (non-union). Ces fractures non consolidées après plusieurs mois peuvent être révisées par chirurgie. Cependant, des méthodes alternatives existent pour relancer le processus de cicatrisation. Parmi elles, les stimulateurs par ultrasons apparaissent comme des dispositifs innovants et prometteurs.
Pourquoi utiliser des ultrasons en clinique ?
Les ultrasons sont des ondes acoustiques dont la propagation dans les tissus biologiques implique une perturbation mécanique et un transfert énergétique. Les dispositifs ultrasonores présentent l’avantage d’être non invasifs, non irradiants et non ionisants ; portables et de faible coût. De plus, leur action peut aussi bien être diagnostique (échographie, élastographie) que thérapeutique (lithotripsie, sonothrombolyse). On parlera alors de leur caractère théragnostique.
Cicatrisation osseuse et LIPUS
Les effets bénéfiques des ultrasons de faible intensité sont aujourd’hui reconnus : accélération du processus de cicatrisation osseuse mais également dissolution de caillot sanguin dans le traitement des accidents vasculaires cérébraux (sonothrombolyse), traitement de la douleur,amélioration de la fonction dans certaines pathologies telles que l’arthrose. Cependant, les mécanismes physiques et biologiques sous-jacents restent toujours méconnus et sujets à polémique notamment dans le processus de cicatrisation osseuse.
Sous le terme LIPUS (Low Intensity Pulsed UltraSound), sont regroupés les ultrasons, dont la fréquence se situe généralement autour de 1,5 MHz, dits de faible intensité, typiquement inférieure à 100 mW/cm 2 (moyenne spatiale et temporelle), émis sous forme de pulse à une fréquence de 1 kHz. Dans le cadre de la cicatrisation osseuse, le traitement LIPUS se traduit par l’accélération et l’amélioration sensibles du processus y compris dans des cas de fractures complexes, à consolidation retardée (delayed unions) et des cas de pseudarthrose (non-union fractures). En octobre 1994, la Food Drug Administration a validé l’utilisation des ultrasons de faible intensité pour accélérer la cicatrisation osseuse des fractures fraîches et depuis février 2000 elle autorise le traitement par ultrasons pour des fractures anciennes non consolidées. Néanmoins, quelques études in vivo chez l’homme remettent en cause l’apport bénéfique et significatif du traitement LIPUS. Ces observations mettent en évidence les verrous scientifiques liés à la compréhension des phénomènes physiques et biologiques à l’origine de l’action des ultrasons sur la cicatrisation osseuse.
Aujourd’hui de nombreuses questions restent en suspens : quel type de fracture, quelle phase de la cicatrisation, quelle condition orthopédique, quels paramètres ultrasonores sont optimaux pour un traitement LIPUS et pourquoi ?
Le projet LIPUS
Objectifs : Compréhension des mécanismes de micro-courants générés par excitation ultrasonore. Modélisation numérique (Comsol Multiphysics) et expérimentation (mécanique et ultrasonore).Hypothèses
Dans le traitement LIPUS, compte-tenu des faibles niveaux d’énergie délivrée, les effets thermiques sont négligeables. Seuls les effets mécaniques seraient responsables des observations faites sur l’évolution de la cicatrisation osseuse soumise à l’excitation ultrasonore. Il a été plusieurs fois montré dans la littérature et maintenant communément admis que l’os, matériau vivant, se remodèle en fonction des efforts qui lui sont appliqués. Les cellules osseuses transforment les stimuli mécaniques en activité électro-chimique. Ce processus est appelé mécanotransduction.
Quels sont ces stimuli dans le cadre du traitement LIPUS ? Plusieurs hypothèses sont avancées autour des micro-courants induits par la propagation de l’onde acoustique (acoustic streaming) dans le fluide interstitiel. Ces mouvements de fluide (à l’échelle microscopique) pourraient être à l’origine des contraintes de cisaillement auxquelles la cellule serait sensible, même à faible intensité. Une autre source de micro-contraintes appliquées à la cellule proviendrait des micro-courants induits par cavitation. En effet sous l’action de la pression acoustique, des bulles de gaz peuvent se former et osciller dans le fluide environnant (cavitation stable) jusqu’à exploser (cavitation inertielle). Dans le cas de la cicatrisation osseuse, la cavitation ne fait pas l'unamité comme hypothèses explicatives dans les études in vivo compte-tenu des faibles intensités et donc des faibles niveaux de pression appliqués aux fluides biologiques. En revanche, l’effet de la cavitation sur les cellules osseuses a été clairement montré in-vitro. Peut-on lever ces controverses et comment relier les observations in vitro aux conditions in vivo?
Collaborations
Ce projet est porté en collaboration avec Cécile Baron (CR1, Equipe GIBoc, IMS UMR 7287). Le Laboratoire Modélisation et Simulation Multi Echelle (MSME UMR 8208 L'équipe) participe également au projet.