Une étude de validation de principe démontre l'utilisation d'ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) pour un réchauffement contrôlé pendant la cryoconservation. Les UFHI permettent un réchauffement précis et modulable qui pourrait permettre la cryoconservation de tissus et d'organes.
La cryogénie, c'est-à-dire la conservation à basse température de tissus et d'organes, offre la possibilité d'une "animation suspendue" et d'un stockage à long terme en vue d'une utilisation future. Bien que l'idée semble prometteuse, la réussite de la cryoconservation se heurte à plusieurs obstacles, en particulier pour les grands volumes. L'un des principaux problèmes est la recristallisation, c'est-à-dire la formation de cristaux de glace lors du réchauffement, qui peuvent endommager les cellules et les tissus. Un réchauffement contrôlé à des vitesses élevées est essentiel pour surmonter ce problème, mais il est difficile à réaliser de manière uniforme dans de grands échantillons.
Une nouvelle étude de validation du concept a démontré l'utilisation d'ondes ultrasonores focalisées de haute intensité (HIFU) pour obtenir le réchauffement rapide nécessaire pour éviter la recristallisation pendant la cryoconservation. Les UFHI utilisent des ondes acoustiques pour générer une chaleur ciblée sur un point précis. L'étude, publiée dans Scientific Reports, a utilisé les UFHI pour cryoconserver et réchauffer avec succès le ver nématode Caenorhabditis elegans.
Les UFHI présentent plusieurs avantages pour la cryoconservation. Ils ne créent pas de modèles de chauffage stationnaires et évitent l'emballement thermique, ce qui permet un contrôle précis des taux de réchauffement. Ils peuvent également être utilisés avec des cryoprotecteurs conventionnels et contrôlés en temps réel par imagerie par résonance magnétique (IRM). Il est important de noter que les UFHI peuvent être adaptés à des volumes d'échantillons plus importants grâce à des réseaux de transducteurs. Ces propriétés font des UFHI un outil prometteur pour obtenir le réchauffement rapide et uniforme nécessaire à la cryoconservation réussie des tissus et des organes.
Pour démontrer la faisabilité des UFHI pour la cryoconservation, les chercheurs ont utilisé des cellules de C. elegans comme modèle animal. C. elegans est un organisme modèle bien étudié, utilisé dans de nombreux laboratoires, qui possède un ensemble complet d'organes. Des populations d'environ 200 vers à tous les stades de la vie ont été cryoconservées à l'aide d'une méthode standard de congélation lente dans 15 % de glycérol et refroidies à -80 °C pour être stockées.
Après 48 heures, les vers ont été réchauffés soit par UFHI, soit par des méthodes conventionnelles (air ou bain-marie). Le réchauffement conventionnel n'a permis d'obtenir que 35 % de survie pour les premiers stades larvaires et 0 % pour les adultes, ce qui montre la nécessité d'un réchauffement plus rapide.
Une série de 53 expériences a été réalisée pour optimiser les paramètres HIFU, en faisant varier le taux de réchauffement et le temps d'exposition. La vitesse de réchauffement a été mesurée entre -60 et -40°C, où la recristallisation est la plus susceptible de se produire. Les chercheurs ont constaté que les taux de réchauffement les plus élevés (157,8 °C/min et 217,8 °C/min) entraînaient les taux de survie les plus élevés lorsqu'ils étaient appliqués pendant 60 à 70 secondes.
Une exposition insuffisante aux UFHI (moins de 50 secondes) n'a pas permis un réchauffement suffisamment rapide et n'a pas entraîné de survie. Une exposition trop longue (plus de 70 secondes) a également réduit le taux de survie, probablement en raison d'une surchauffe. Avec les paramètres optimaux de 217,8 °C/min pendant 70 secondes, les taux de survie ont atteint 90 % à tous les stades de la vie, contre seulement 35 % pour les premiers stades larvaires et 0 % pour les adultes avec un réchauffement conventionnel.
Les chercheurs ont également simulé le dispositif expérimental à l'aide d'une modélisation par éléments finis afin de déterminer les dimensions de la région focale et de vérifier les taux de réchauffement. La température la plus élevée atteinte était de 10°C entre les points des échantillons, ce qui démontre la précision que l'on peut obtenir avec les UFHI.
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L'un des principaux avantages des UFHI est qu'ils peuvent être adaptés à des volumes d'échantillons plus importants. Les chercheurs ont utilisé un seul transducteur dans cette étude, mais l'augmentation du nombre de transducteurs dans un réseau pourrait permettre le réchauffement ciblé de tissus et d'organes entiers. Le réchauffement par UFHI pourrait également être surveillé en temps réel par imagerie par résonance magnétique (IRM), ce qui permettrait un contrôle précis du réchauffement.
La cryoconservation et la récupération réussies de C. elegans à tous les stades de la vie démontrent le potentiel du réchauffement par UFHI pour permettre la mise en banque biologique à long terme de nombreux types d'échantillons. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, les UFHI pourraient aider à résoudre le problème de longue date de la recristallisation pendant le réchauffement et permettre la cryoconservation de tissus plus grands et d'organes entiers pour la médecine régénérative. Grâce à son évolutivité, à sa contrôlabilité et à son utilisation courante dans d'autres applications, l'UFHI est un nouvel outil prometteur pour faire progresser le domaine de la cryogénie.
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