Création d’un plan pour des tubes auriculaires optimisés et d’autres dispositifs implantables de transport de fluide

En tant que traitement, les médecins peuvent insérer chirurgicalement des tubes auriculaires appelés “tubes de tympanostomie” (TT) dans le tympan pour créer une ouverture entre le conduit auditif et l’oreille moyenne. Idéalement, ces conduits ventilent l’oreille moyenne, permettent au liquide de s’écouler et permettent aux gouttes d’antibiotiques d’atteindre les bactéries responsables de l’infection. Mais en réalité, ces petits appareils cylindriques creux en plastique ou en métal fonctionnent loin d’être parfaits. Les bactéries peuvent déposer des biofilms et des tissus locaux peuvent se développer sur leurs surfaces, ce qui bloque la lumière des TT et les fait extruder. De plus, les gouttes auriculaires antibiotiques appliquées dans le conduit auditif peuvent ne plus atteindre le site de l’infection. Ces complications présentent des risques et entraînent la nécessité de chirurgies de remplacement fréquentes, entraînant des coûts économiques considérables pour le système de soins de santé.

Il est important de noter que les problèmes affectant les TT affectent également d’autres «conduits médicaux implantables» (IMC) de transport de fluides, tels que les cathéters, les shunts et divers petits tubes utilisés dans le cerveau, le foie, les yeux et d’autres organes où une barrière à haute pression empêche fluides de s’écouler à travers le conduit. Dans la quête d’appareils supérieurs, le défi fondamental auquel sont confrontés les ingénieurs biomédicaux est enraciné dans le conflit selon lequel la réduction de la taille et du caractère invasif des appareils IMC se fait au prix d’une augmentation de leur risque de blocage et de dysfonctionnement.

Aujourd’hui, une collaboration de recherche multidisciplinaire au Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard, à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et au Massachusetts Eye and Ear (MEE) à Boston fournit une refonte complète de la conception pour les IMC en créant une stratégie largement applicable qui résout ce défi. Leur approche permet aux IMC d’avoir un transport de fluide unidirectionnel et bidirectionnel prévisible et efficace à l’échelle millimétrique qui résiste à diverses contaminations. Avec l’exemple des TT fabriqués à partir d’un matériau infusé de liquide (jeTT, abréviation de “tubes de tympanostomie infusés”), ils ont co-optimisé les fonctions difficiles à concilier, y compris l’administration rapide de médicaments et le drainage des fluides hors de l’oreille moyenne, la résistance contre le passage de l’eau de l’extérieur dans l’oreille moyenne, comme ainsi que la prévention de l’adhésion bactérienne et cellulaire aux tubes, en introduisant une nouvelle géométrie de lumière incurvée du tube. Les résultats sont publiés dans le récent article de couverture de Science Médecine translationnelle.

“En tant qu’otologiste clinique, je traite quotidiennement des patients pédiatriques et adultes souffrant d’otites récurrentes et je place régulièrement des tubes de tympanostomie, ce qui chez les enfants est l’intervention chirurgicale la plus courante pratiquée aux États-Unis. Pourtant, la technologie des dispositifs médicaux TT est restée relativement inchangé au cours des 50 dernières années », a déclaré le co-auteur principal Aaron Remenschneider, MD, MPH « Compte tenu de nos découvertes, je vois de l’espoir à l’horizon pour les patients souffrant d’infections chroniques de l’oreille. Non seulement notre jeLes TT démontrent une réduction de l’adhésion cellulaire et un meilleur transport sélectif des fluides, mais nous avons montré comment jeLes TT entraînent une diminution des cicatrices du tympan et une audition préservée par rapport aux TT de contrôle standard. jeLes TT pourraient également devenir un outil efficace pour administrer une gamme de médicaments à l’oreille moyenne.” Remenschneider est maître de conférences à la Harvard Medical School (HMS) et au MEE, il collabore étroitement avec le co-auteur, le collègue otologiste du MEE et le professeur adjoint du HMS. Elliott Kozin, MD, qui étudie également les approches thérapeutiques des troubles de l’oreille au MEE.

Les spécialistes des matériaux et les cliniciens écoutent attentivement – ensemble

Avant cette collaboration, la co-auteure principale Joanna Aizenberg, Ph.D., qui est membre associée du corps professoral de l’Institut Wyss et professeur Amy Smith Berylson de sciences des matériaux à SEAS, a été la pionnière des matériaux bio-inspirés avec des fonctionnalités entièrement nouvelles. Celles-ci comprenaient des SLIPS (abréviation de “Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces”), qui exposent une fine couche de liquide à base d’huile pour empêcher l’encrassement biologique par divers organismes tout en permettant des interactions spécifiques avec d’autres fluides. Le groupe d’Aizenberg avait appliqué la technologie SLIPS à différents problèmes industriels et environnementaux de “biofouling” et, à la recherche de besoins non satisfaits dans le domaine médical auxquels leurs matériaux pourraient aider à répondre, ils ont consulté Remenschneider, Kozin et d’autres médecins. Une refonte complète de la conception des TT et des autres IMC est devenue l’objectif d’une collaboration de longue date menée par le groupe d’Aizenberg, et Remenschneider et Kozin, qui comprenait également d’autres chercheurs et cliniciens. Au cours de son avancement, le projet interinstitutionnel a été reconnu comme un projet de validation à l’Institut Wyss, qui a fourni un soutien financier, technique et translationnel supplémentaire.

Les premiers auteurs Haritosh Patel, étudiant diplômé en ingénierie au laboratoire d’Aizenberg, et Ida Pavlichenko, Ph.D., ancienne boursière en développement technologique Wyss, ont commencé à développer le premier jeLes prototypes TT, utilisant des matériaux avec des surfaces infusées de liquide et l’expertise en impression 3D de la co-auteure Jennifer Lewis, Sd.D. aux MERS. “En tant que mère d’un enfant qui avait souffert d’otites récurrentes et de certaines de leurs douleurs et de leurs conséquences néfastes, j’ai pu immédiatement comprendre le problème clinique et je me suis sentie fortement obligée de mener un projet susceptible de le résoudre”, a déclaré Pavlichenko. “Nous avons rapidement commencé à étudier la géométrie comme solution possible pour résoudre le défi de conception fondamental des IMC. Étonnamment, seuls les TT cylindriques avec des canaux de lumière internes droits existaient. Nous avons émis l’hypothèse que l’introduction de courbures spécifiques dans jeLes canaux des TT pourraient leur permettre de faire la distinction entre différents fluides à petite échelle.”

Tout en se concentrant sur jeTT comme première application, l’équipe a développé un processus de conception basé sur la modélisation beaucoup plus largement applicable qui peut être appliqué aux IMC avec différentes tâches et emplacements dans le corps. Sur la base des paramètres physiques des liquides, des matériaux et de la taille, il commence par la prédiction basée sur la dynamique des fluides de géométries spécifiques pour les IMC de taille millimétrique fabriqués avec des surfaces infusées de liquide pour contrôler le transport directionnel de différents liquides à travers eux. “En plus de valider le transport prévu des fluides grâce à une conception et une fabrication rationnelles jePrototypes TT en in vitro modèles de l’oreille moyenne, nous avons également démontré leur résistance à l’adhésion par les cinq souches bactériennes les plus courantes provoquant une infection de l’oreille chez les enfants », a déclaré Patel. Les souches ont été directement isolées chez des patients atteints d’infections chroniques de l’oreille moyenne par le co-auteur Paulo Bispo, Ph. .D., un autre collaborateur du MEE sur le projet et professeur assistant au HMS.

Se rapprocher de l’oreille humaine

Pour étudier les performances de leurs jeTT par rapport aux TT conventionnels dans un en direct modèle pertinent pour l’oreille humaine, les collaborateurs ont testé leur approche sur les oreilles de chinchillas, la référence en matière d’étude des maladies de l’oreille moyenne et des approches de traitement. Les chinchillas ont une membrane tympanique à peu près de la même taille que celle des humains et une gamme de fréquences d’audition similaire, et Remenschneider et Kozin les avaient régulièrement utilisées dans leur laboratoire de recherche MEE. “En cochant toutes les cases essentielles, jeLes TT, lorsqu’ils sont implantés dans le tympan des chinchillas, ont empêché l’eau environnementale, empêché l’accumulation infectieuse, réduit les cicatrices et sont restés clairs pour l’aération et l’égalisation de la pression », a déclaré Patel. de gouttes auriculaires antibiotiques dans l’oreille moyenne par rapport aux TT conventionnels, ce qui est particulièrement excitant. » Selon Remenschneider, « un dosage fiable des médicaments dans l’oreille moyenne par jeLe TT ouvre la porte à repenser notre gestion des affections de l’oreille moyenne et même interne, comme la perte auditive.”

“Sur la base de nos excellents résultats en matière d’innocuité et d’efficacité, jeLes TT pourraient ensuite être testés dans un essai clinique chez des patients humains. Mais ce qui nous passionne également, c’est d’étendre notre approche de conception brevetée à d’autres IMC importants, par exemple, en tant que shunts pour le cerveau, les yeux et les voies biliaires. La technologie et le processus de fabrication permettraient même la création d’appareils personnalisés optimisés pour les caractéristiques et les besoins spécifiques des patients », a déclaré Aizenberg. « Nous envisageons que jeLes propriétés matérielles et géométriques des TT et d’autres IMC pourraient à l’avenir faire l’objet d’une ingénierie inverse pour les adapter à différentes formulations de médicaments et les intégrer au processus de découverte de médicaments pour une administration topique efficace de thérapeutiques et le traitement de diverses maladies.

“C’est un merveilleux exemple de ce qui peut arriver lorsque des scientifiques, des ingénieurs et des cliniciens en matériaux innovants travaillent main dans la main pour concevoir une nouvelle approche répondant aux besoins spécifiques des patients”, a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. ., qui est aussi le Judah Folkman Professeur de biologie vasculaire au HMS et au Boston Children’s Hospital, et le Hansjörg Wyss Professeur d’ingénierie bioinspirée aux MERS.

Les autres auteurs de l’étude sont Alison Grinthal, Cathy Zhang, Jack Alvarenga, Michael Kreder, James Weaver, Qin Ji, Christopher Ling, Joseph Choy, Zihan Li et Nicole Black. L’étude a été financée par le Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard, la National Science Foundation (sous le prix # DMR-2011754) et les National Institutes of Health (sous le prix # R43DC019318 et K08DC018575).