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RÉSUMÉ
La thérapie sonodynamique (SDT) est une modalité thérapeutique découverte dans les années 1990 mais n’ayant pas encore d’applications cliniques approuvées. Cette technique utilise des ultrasons basse fréquence ciblés qui activent des sonosensibilisateurs conduisant à l’apoptose et la mort cellulaire. La SDT permet de traiter des tissus à des profondeurs importantes (4 à 10 cm). Cet article présente les principes physiques de la SDT, les mécanismes responsables de ses effets biologiques, les différents types de sonosensibilisateurs et les applications médicales envisagées.
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Sonodynamic therapy (SDT) is a therapeutic modality discovered in the 1990s but not yet approved for clinical applications. This technique uses targeted low-frequency ultrasound that activates sonosensitizers leading to apoptosis and cell death. SDT can treat tissues at great depths (4 to 10 cm). This article presents the physical principles of SDT, the mechanisms responsible for its biological effects, the different types of sonosensitizers and the medical applications envisaged.
Auteur(s)
-
Clément LINGER : Master 2 - Chimie ParisTech, Université PSL, 2 rue Pierre et Marie Curie 75005 Paris, France
-
Gabriel DUMY : Post-doctorant - Laboratoire PMMH, ESPCI, Université PSL, 10 rue Vauquelin 75005 Paris, France
-
Marc PORT : Professeur du CNAM titulaire de la Chaire « Industries chimiques et pharmaceutiques » - Équipe de Chimie Moléculaire du Laboratoire Génomique, Bioinformatique et Chimie Moléculaire (EA 7528), Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM), 2 rue Conté, 75003, HESAM Université, Paris, France
INTRODUCTION
Initialement développés dans le cadre diagnostique de l’imagerie, les ultrasons sont de plus en plus envisagés pour des modalités thérapeutiques non invasives. L’utilisation des ultrasons focalisés à haute intensité (HIFU) est maintenant une pratique clinique de routine pour traiter notamment des cancers localisés (notamment cancers de la prostate et hépatiques) et des fibromes utérins par effet hyperthermique. Les ultrasons focalisés sont aussi utilisés pour fractionner mécaniquement des tissus ou des calculs rénaux et biliaires (histotripsie et lithotripsie), pour détruire le cristallin opacifié (cataracte) ou pour traiter les glaucomes par cyclo coagulation.
De nouvelles indications cliniques des HIFU sont en cours de développement, notamment pour traiter des patients atteints de rétrécissement aortique calcifié via une méthode non invasive (technologie Cardiawave en cours de validation clinique) ou pour délivrer des médicaments ciblant le système nerveux central par ouverture transitoire de la barrière hématoencéphalique.
Cependant, un secteur émergent en préclinique – la sonothérapie à basse fréquence – repose sur l’utilisation d’ultrasons de faible intensité couplés à des sonosensibilisateurs à l’origine de nombreux effets induisant un stress cellulaire. Ces effets peuvent être d’ordre physique, comme le cisaillement mécanique de la membrane cellulaire ou des effets hyperthermiques modérés. Ils peuvent aussi être d’ordre chimique via des effets cytotoxiques induits par des espèces activées de l’oxygène produites par la pyrolyse de l’eau ou la sonoluminescence déclenchée par les ultrasons et activée par des sonosensibilisateurs.
Cet article explicite les principes physiques de la sonothérapie ainsi que les paramètres à maîtriser pour induire l’effet ultrasonore pertinent pour activer les mécanismes de stress cellulaire. Il décrit aussi les différentes classes de sonosensibilisateurs organiques ou inorganiques utilisés dans la littérature ainsi que les applications médicales envisagées. Même si, à ce jour, la démonstration clinique de l’intérêt de la sonothérapie reste à réaliser, nous précisons ici le potentiel démontré en préclinique de la sonothérapie et des thérapies la combinant avec d’autres modalités thérapeutiques (chimiothérapie, photo thérapie dynamique, radiothérapie, thérapie génique et immunothérapie).
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MOTS-CLÉS
thérapie sonodynamique sonoluminescence sonosensibilisateur Espèce réactive de l’oxygène cavitation
KEYWORDS
sonodynamic therapy | sonoluminescence | sonosensitizer | Reactive oxygen species | cavitation
DOI (Digital Object Identifier)
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Effets biologiques induits par la thérapie ultrasonore basse fréquence
En anglais
1. Principes physiques de la thérapie ultrasonore à basse fréquence
1.1 Cavitation acoustique
Même si certaines études évoquent des effets directs des ultrasons sur les parois cellulaires, il est globalement admis que les effets de la thérapie ultrasonore à basse fréquence sont induits par la cavitation acoustique de microbulles de gaz. Ces microbulles de gaz peuvent être exogènes (utilisation d’agents de contraste pour l’échographie) ou endogènes (microbulles formées à partir des gaz dissous du sang : dioxygène et dioxyde de carbone). En effet, sous l’influence de l’onde ultrasonore qui est une onde de pression/décompression se propageant dans les liquides, la pression locale devient pendant quelque temps (selon la pression de l’onde) inférieure à la pression partielle de vaporisation des espèces gazeuses du sang, ce qui induit la nucléation d’une microbulle de gaz instable, qui selon les conditions expérimentales sera entretenue par l’onde.
La cavitation acoustique repose sur une oscillation en taille des microbulles de gaz sous l’excitation de l’onde sonore. Sous l’effet des ultrasons, le rayon de la microbulle augmente lors d’une phase de décompression, et rétrécit lors d’une phase de compression. Ce phénomène d’oscillation est maximal à la fréquence de résonance des microbulles. Pour une microbulle, cette fréquence peut être déduite de la relation :
avec :
- Lres :
- dimension résonnante (dans notre cas le diamètre de la bulle),
- λ :
- longueur d’onde d’excitation,
- c :
- célérité de l’onde,
- f :
- fréquence.
Ainsi, la dimension optimale d’une microbulle d’air à 37 °C (soit c ≈ 353 m.s−1) pour une fréquence classiquement utilisée en sonothérapie basse fréquence de 1 MHz (respectivement 3 MHz) est de 177 µm (respectivement 59 µm). Le phénomène d’oscillation existe aussi dans une moindre mesure en dehors des conditions de résonance ce qui...
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Principes physiques de la thérapie ultrasonore à basse fréquence
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - OTTO (F.), RIEGLER (E.K.), VOTH (G.A.) - Measurements of the steady streaming flow around oscillating spheres using three dimensional particle tracking velocimetry. - Phys. Fluids, vol. 20, n° 9, p. 093304, doi :10.1063/1.2973204 (2008).
-
(2) - GOLDSTEIN (A.), POWIS (R.L.) - Chapter Two – Medical Ultrasonic Diagnostics. - In Physical Acoustics, vol. 23, R. N. Thurston, A. D. Pierce, et E. P. Papadakis, Éd. Academic Press, p. 43-195 (1999).
-
(3) - AZHARI (H.) - Appendix A : Typical Acoustic Properties of Tissues. - In Basics of biomedical ultrasound for engineers, Wiley-IEEE Press, p. 313-314 (2010).
-
(4) - AMIN (V.R.) - Ultrasonic attenuation estimation for tissue characterization. - Retrosp. Theses Diss., doi : https://doi.org/10.31274/rtd-180813-8099 (1989).
-
(5) - GARDÈS-ALBERT (M.), BONNEFONT-ROUSSELOT (D.), ABEDINZADEH (Z.) - Espèces réactives de l’oxygène : comment l’oxygène peut-il devenir toxique ? - Actual....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Générateurs de signal :
-
Tektronix, États-Unis, https://www.tek.com/
-
Keysight Technologies, États-Unis, https://www.keysight.com/
-
Peaktech, Allemagne, https://www.peaktech.de/products/kategorie/generatoren.html
-
RIGOL Technologies, Chine, https://int.rigol.com/products/waveform-generators.html
-
Anritsu, Japon, https://www.anritsu.com/en-GB/test-measurement/signal-generators/signal-generators
Transducteurs :
-
Ndtxducer, États-Unis, http://ndtxducer.com/products
-
IMASONIC Medical, France, https://www.imasonic.com/
-
Honda Electronics, Japon, https://www.honda-el.co.jp/en/ceramics/
-
Olympus, États-Unis, https://www.olympus-ims.com/en/ultrasonic-transducers/...
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