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Les technologies du futur

Image inspirée de Philip Toledano.

La médecine à l'ère numérique (V)

La médecine traditionnelle est en train de subir une profonde mutation. Ceux qui se rendent à l'hôpital pour des analyses approfondies ou de la chirurgie doivent probablement le constater et finalement applaudir ce progrès qui touche jusqu'au coeur de notre corps.

La population mondiale croissant exponentiellement et le nombre de personnes âgées augmentant assez rapidement, les médecins ne peuvent plus assurer leur travail de la même façon qu'il y a un siècle. Les progrès réalisés dans les technologies de l'information ont également révolutionné la société et notre manière à tous d'accéder à la connaissance.

 Nous avons vu dans un autre article que la miniaturisation des appareils de laboratoire (scanner et échographe) et la médecine sans fil (mobile) ont fait des progrès prodigieux et révolutionnent déjà aujourd'hui la façon de prendre en charge et de soigner les patients. Demain, nous disposerons à domicile de moyens d'analyses et de traitements médicaux qui hier encore étaient réservés aux grands hôpitaux !

A côté de ces innovations, il y a deux autres secteurs qui progressent à pas de géants, c'est celui des greffes d'organes et des prothèses.

Les greffes d'organes

Depuis le Moyen-Âge, les chirurgiens ont toujours caressé le vieux rêve d'offrir aux victimes de maladies ou d'accidents des greffes et des prothèses plus vraies que nature.

Mais c'est seulement depuis la seconde moitié du XXe siècle que la chirurgie des greffes et la chirurgie esthétique ont réellement acquis leur maturité et furent maîtrisées après avoir essuyé bien des erreurs au détriment des pauvres victimes.

Les "miracles" de la médecine concernent les thérapies et les greffes de nombreux organes (rein, coeur, poumon, foie, etc) et tissus corporels (peau et partie du visage), y compris les organes des sens (oreille, oeil, nerf) et les fonctions biomécaniques (mâchoires, articulations, pied, main, sexe) sans parler des greffes de cheveux et autres liftings parmi d'autres prouesses médicales.

Un coeur vidé de toutes ses cellules dont il ne reste que les protéines de soutien. Document Texas Heart Institute/St Luke's Episcopal Hospital.

Aujourd'hui, on peut aussi cultiver des cellules souches, y compris à partir de la graisse du patient, ou extraites les cellules d'un tissu (bulbe du cheveu, sang, etc.) ou d'un organe et créer à partir de collagène (les protéines naturelles formant la matrice extracellulaire des organes), par exemple un organe creux vidé de son sang et dépouillé de toutes ses cellules - ce qu'on appelle un coeur fantôme (ghost heart) - ou fabriquer un tissu ou un organe fonctionnel in vitro comme de la peau, de la cornée, des os, du cartilage, une oreille et même une vessie.

Aux Etats-Unis, depuis des années la docteur Doris Taylor de l’Université du Texas effectue des recherches sur la transplantation du coeur en utilisant comme transplant un coeur vidé de son sang dont il ne reste que les protéines de soutien, le collagène. Le procédé consiste à injecter dans ce coeur fantôme tel celui présenté à gauche des cellules souches de la personne attendant un coeur, puis elle plonge ce coeur dans un bioréacteur pour assurer le développement des cellules souches jusqu'à maturation du coeur qui est ensuite transplanté. Jusqu'à présent, la Dr. Taylor a travaillé avec des coeurs de rats et de cochons mais les règles d'éthique lui interdisent encore d'utiliser cette technique sur l'être humain.

La technique s'applique avant tout aux organes creux car ils sont plus simples à fabriquer (ce n'est rien d'autre qu'une peau double face en trois dimensions) et à irriguer par les capillaires qu'un organe plein comme du muscle par exemple qui exige que le sang soit distribué dans toutes les cellules au risque qu'il ne survive pas.

Les greffes d'organes et de tissus ou leur mise en culture ainsi que les prothèses peuvent pallier à pratiquement toutes les déficiences. Même certains aveugles peuvent apprendre à voir.

Les chercheurs estiment que vers 2020 on pourra créer les premiers organes vitaux de culture comme le foie et le pancréas.

Enfin, nous verrons un peu plus loin que la culture des cellules combinée à l'imprimante 3D permettra à l'avenir de reconstituer des organes complets. Peut-être seront-ils même imprimés ou plutôt façonnés avec des cellules de culture.

La régénération

Une autre voie de recherche très prometteuse et qui laisse rêveur concerne la faculté des humains à cicatriser alors que certaines animaux comme la salamandre ont le pouvoir de régéner leurs organes sectionnés.

Des études ont montré que c'est parce nous cicatrisons que nous ne pouvons pas régénérer nos organes. Les scientifiques cherchent donc le moyen d'interrompre temporairement le processus de cicatrisation pour permettre la régénérescence. Encore faut-il comprendre comment elle s'applique.

Dans le cas de la salamandre, le "miracle" commence dans les heures suivant l'amputation d’une patte ou de la queue. Les cellules de l'épiderme migrent pour fermer la blessure, suivies de cellules musculaires et de cellules (des fibroblastes) assurant la cohésion.

Ensuite les cellules de l’épiderme forment une sorte de chapeau et émettent des signaux déclenchant la croissance des autres cellules. Les nerfs se prolongent vers ce chapeau et émettent à leur tour des signaux. Les autres cellules se dédifférencient (elles retournent à un état moins spécialisé) et prolifèrent, constituant un bourgeon innervé appelé le blastème. À mesure qu’il grandit, il forme le contour du nouveau membre, tandis que les cellules se différencient à nouveau en os, muscle, fibroblastes ou tendons, jussqu'à ce que l'organe soit totalement reconstruit.

Lee Spievak dont le doigt sectionné en 2005 s'est régénéré en 4 mois en le saupoudrant quotidiennement avec de la poudre constituée de cellules de la muqueuse d'une vessie de porc. Document AP.

Si les scientifiques comprennent aujourd'hui un peu mieux ce processus, ils ne peuvent toujours le reproduire à leur guise. La seule régénération réussie à ce jour chez l'homme est celle de l'extrémité des doigts.

Comme l'explique le journal The Telegraph, en 2005 Lee Spievak, alors âgé de 69 ans, avait mis son index dans les pales d'une hélice en rotation d'un avion de modélisme. Son doigt fut sectionné sur environ 10 mm et il n'a pas retrouvé le morceau. Son médecin lui dit qu'il aurait le doigt amputé à vie.

Par chance, un an auparavant, son frère Alan ancien chirurgien d'Harvard et spécialiste en médecine régénérative avait créé une société de production d'extrait de vessie de porc destinée à la réparation des tissus vivants. L'été précédent l'accident de Lee, Alan avait fait repousser en six semaines le bout du doigt d'un voisin qui se l'était accidentellement sectionné avec une scie grâce à poudre appelée "pixie dust"

Cette poudre a été inventée par le Dr Stephen Badylak de l'Université de Pittsburgh à partir de cellules extraites de la muqueuse d'une vessie de porc qui furent ensuite nettoyées, séchées et réduites en pondre.

Alan envoya à Lee cette "pixie dust" et lui demanda de l'appliquer tous les deux jours sur la plaie.

Deux jours plus tard, le phénomène de régénérescence commença. Il fallut 4 mois pour que le Lee retrouve un doigt complet et 6 mois pour qu'il retrouve ses empreintes digitales originales. Lee s'est seulement plaint de l'odeur de cochon qu'avait son doigt pendant le processus et que l'extrémité intérieure du doigt était un peu plus dure que l'ancien.

La méthode qui paraît miraculeuse exploite le même principe que celui décrit plus haut. Comme l'explique le Dr Stephen Badylak, "la poudre est essentiellement composée de collagène et de substances ne contenant aucune cellule de porc servant de supports microscopiques destinés à recevoir des cellules humaines qu'elle incite par un signal chimique à régénérer les tissus". Et le "miracle" c'est de nouveau produit; nos souris étaient guéries et pouvaient de nouveau se mouvoir.

Ensuite, il y eut l'expérience réalisée en 2007 par Samuel Stupp de l'Université Northwestern et directeur de l'IBNAM (Institute for BioNanotechnology in Medicine). Il montra comment en 6 semaines, les nanotechnologies pouvaient être utilisées pour régénérer les neurones chez des souris de laboratoire paralysées suite à des lésions de la colonne vertébrale. En injectant des molécules conçues pour s'autoassembler sous forme de nanofibres dans les tissus de la moelle épinière, il a été possible de réparer et faire recroître des neurones endommagés.

En 2010, Stupp montra qu'on pouvait utiliser la même technique pour régénérer un os fémoral endommagé chez un rat.

Si les expériences de régénération sont une réussite, depuis les années 1970 les scientifiques savent qu'après une amputation, les doigts d'une patte de souris peuvent se régénérer s'il reste suffisamment d'ongle mais ils ignoraient pourquoi. En 2013, le docteur Makoto Takeo de l’Université de New York et ses collègues sont parvenus à expliquer le pourquoi en démontrant que le processus peut se déclencher à condition qu'il reste suffisamment de cellules souches sous la base de l'ongle. L'ongle se régénère grâce à ces cellules souches qui se différencient continûment en épithélium qui se kératinise en ongle.

Autre découverte, dès 2012 des chercheurs ont montré que cette différenciation est activée par une cascade de signalisation qui est également connue pour son rôle dans le développement embryonnaire, la "cascade wnt". C'est la même cascade qui déclenche la formation du blastème en attirant les nerfs vers l’extrémité du doigt, comme elle le fait dans l’épiderme de l’embryon. Les scientifiques tenaient leur solution.

Reste à présent à essayer d'appliquer ces méthodes à d'autres types d'amputation ou pathologies et à comprendre pourquoi une solution fonctionne avec certaines organes et pas avec d'autres.

En touchant cette fois à la régénération des organes et à l'intégrité de l'organisme, la médecine a fait un pas de géant. On peut apprécier tout le chemin que nous avons parcouru depuis que le professeur Christiaan Barnard réalisa la première greffe de rein en 1954 et la première transplantation cardiaque en 1967. A ce rythme, en 2030 et si les règles d'éthiques y dérogent, on pourrait peut-être appliquer ces biotechnologies à l'homme.

De la glu pour des plaies sans cicatrice

Depuis quelques années les chercheurs travaillent sur des substances collantes capables de coller des gels (des matériaux composés d'un liquide) et accessoirement de remplacer les agrafes et les points de sutures afin que les plaies se résorbent sans laisser de cicatrices.

Si la compatibilité biologique n'est pas recherchée pour les applications industrielles, en revanche, en médecine il est indispensable que le produit soit biocompatible et donc non toxique et antiallergénique.

Nanocolle de Liebler

L'une des premières inventions est européenne. En 2013, le physico-chimiste Ludwik Liebler et son équipe du Laboratoire ESCPI du CNRS ont inventé une nanocolle composée d'une solution aqueuse de nanoparticules de silice. Techniquement, les nanoparticules de la solution se lient au réseau moléculaire du gel, phénomène appelé adsorption, tandis que le réseau moléculaire lie les particules entre elles. Le processus d'adhésion ne prend que quelques secondes et une fois collés la solution et le gel ou le tissu biologique ne font plus qu'un. Cette méthode est réalisée sans ajout de polymères et n'implique aucune réaction chimique ou système de suture traditionnel.

En temps normal, lors d'une plaie profonde, il faut réaliser des points de sutures et attendre que le sang coagule. Puis patienter plusieurs jours ou semaines pour que le tissu se renouvelle et que la plaie cicatrise grâce au collagène (protéines fibrillaires) qui reconstitue l'épiderme et les capillaires.

Document Dr Ludwik Liebler/ESCPI.

Avec la nanoglu de Ludwik Liebler la réparation est quasi immédiate. Il suffit de badigeonner les lèvres de la plaie avec cette nanocolle cicatrisante puis de les acoller par pression pour refermer la plaie pour de bon. Avantages, la méthode est très simple, il n'a pas de traumatisme, pas d'inflammation ni nécrose, pas de points de sutures, pratiquement aucune voire pas de cicatrice visible et la peau reste à l'air libre. Selon les inventeurs, il est par exemple envisageable de recoller par cette méthode la peau ou des organes ayant subi une incision ou une lésion profonde.

Il est probable que d'ici quelques années cette nanoglu cicatrisante qui a l'aspect d'une fiole contenant un produit liquide sera disponible en pharmacie.

Suite à sa découverte, Ludwik Leibler reçut le Prix de l’inventeur européen de l'année en 2013 dans la catégorie "Recherche".

Enfin, en collaboration avec le groupe Arkema, Ludwik Liebler a également conçu un caoutchouc capable de s'auto-réparer une fois endommagé. Ce nouveau matériau qui a l'aspect du verre a été baptisé "vitrimère".

Bioglu LAMBA

La deuxième invention nous vient de Corée du sud. En 2017, Eun Young Jeon de l'Université Pohang de Science et de Technologie et ses collègues ont publié les résultats très prometteurs du développement d'une bioglu basée sur une protéine adhésive appelée LAMBA qu'utilise la moule pour se coller au substrat et grâce à laquelle elle peut résister à la force des vagues. Les chercheurs ont mélangé cette protéine avec un peptide (acide aminé polymérisé) d'insecte appelé dityrosine qui permet de la lier au collagène.

Le produit fut testé sur des rats présentant de petites plaies de 8 mm de large qui furent ensuite recouvertes d'un plastique pour éviter tout contat avec l'humidité. L'effet de la colle à base de protéine LAMBA fut visible au bout de 10 jours. La plaie était fermée à 99 % le 11e jour et à peine visible le 28e jour et n'a laissé aucune cicatrice; l'épiderme était reconstruit, y compris les follicules pileux et les capillaires. En revanche, les rats témoins qui n'avaient pas bénéficié de ce traitement ont mis plus de temps pour guérir. Comme on le voit ci-dessous, les coupes microscopiques ont également montré que la couche intermédiaire de leur épiderme ne s'est pas aussi bien reconstituée que celle traitée avec la bioglu à base de LAMBA.

A gauche, la méthode de fabrication de la bioglu à partir de protéine LAMBA de moule combinée à un peptide d'insecte (dityrosine). A droite, résultat de son application sur des plaies de rats. Documents Eun Young Jeon et al. (2017).

L'avantage de cette bioglu LAMBA est d'améliorer la formation des fibres de collagène et de reformer un épiderme aussi neuf qu'en l'absence de cicatrice, ce qu'on n'obtient pratiquement jamais quand on laisse la peau se cicatriser seule.

Toutefois, nous sommes encore loin de pouvoir appliquer ce traitement à l'homme. En effet, les rats ont la peau lâche, alors que nous avons une peau serrée; ils ont donc tendance à bien guérir et avoir moins de cicatrices que nous.

La prochaine étape des chercheurs coréens consistera à appliquer cette bioglu sur la peau du cochon, considéré comme l'animal biologiquement le plus proche de l'homme.

Colle chirurgicale MeTro

Quelques mois après cette annonce, l'ingénieure chimiste Nasim Annabi de l'Université Northeastern de Boston et une équipe de chercheurs de l'Université de Sydney ont annoncé dans la revue "Science Translational Medicine" avoir mis au point une biocolle appelée MeTro, acronyme de "methacryloyl-substituted tropoelastin". Comme le précise Annabi, cette colle est à la fois "élastique, adhésive, non toxique et biocompatible. La plupart des biocolles disponibles sur le marché présentent une ou deux de ces caractéristiques mais pas toutes les quatre".

La biocolle MeTro utilise les propriétés naturelles des protéines et notamment la tropoélastine qui permet aux tissus humains de reprendre leur forme avec une contraction ou un étirement. La MeTro possède également une enzyme de dégradation qui peut être adaptée à la gravité de la blessure. Elle est adaptée aux petites plaies cutanées comme aux blessures importantes et pourra même à terme servir de colle pour suturer les plaies internes.

A voir : MeTro - elastic hydrogel for surgical applications

L'avantage du nouveau procédé est de ne pas exiger de suture (de rapprocher les lèvres de la plaie) et son efficacité. La colle MeTro ressemble à un liquide qui remplit tous les interstices et épouse parfaitement la forme de la plaie ou de la cavité. Après l'avoir appliquée, il suffit d'utiliser une lumière UV (disponible par exemple sous forme d'un gros stylo équipé d'une ampoule UV) pour activer le produit. La plaie est obstruée et gélifiée en 60 secondes, accélérant le processus de cicatrisation. La MeTro est stable durant tout le processus et finit par se dégrader sans signe de toxicité.

Consulté à propos de cette invention, le docteur Ali Khademhosseini de l'Harvard Medical School, considère que cette nouvelle colle va au-delà des attentes des colles médicales similaires : "les applications de la colle MeTro sont potentiellement très variées, allant des situations d'urgence suivant un accident de voiture aux zones de guerre et peut améliorer la chirurgie hospitalière".

Actuellement, la colle MeTro fut expérimentée avec succès sur des rongeurs. La prochaine étape comprendra les tests cliniques.

En attendant que ces divers procédés soient au point et approuvés par les organismes nationaux de contrôle, probablement pas avant les années 2020, pour réduire les cicatrices, les blessés peuvent compter sur le peeling chimique (une sorte de gommage) ou la thérapie laser.

Des sutures au laser

En 2016, Seok Hyun Yun de l'Harvard Medical School et ses collègues de l'Université de St. Andrews ont découvert le moyen de suturer des plaies au moyen d'un laser. La technologie titre profit des propriétés du collagène qui donne sa structure à la peau et de nanosutures à l'échelle des électrons. De plus cette invention réduit les risques de cicatrices et les inflammations.

Aujourd'hui cette technique ne fonctionne que sur des plaies superficielles mais permet de suturer des plaies de 10 mm de profondeur. Les chercheurs ont déclaré qu'ils vont améliorer leur technique afin de pouvoir l'appliquer à des plaies plus importantes. Le temps des sutures au moyen de fils (cf. cette vidéo en anglais) est bientôt révolu !

De l'os de synthèse

En 2015, sous la direction du docteur Pierre Weiss de l'Université de Nantes (INSERM), une équipe de chercheurs a découvert une méthode pour réparer de l'os et aider sa croissance par injection d'une mousse transformant du phosphate de calcium macroporeux en véritable ciment osseux. Les résultats de leurs travaux furent publiés dans la revue Acta Biomaterialia.

L'os est composé à 70 % d'un dérivé minéral du phosphate de calcium appelé hydroxyapatite de formule chimique Ca5(PO4)3(OH). Cela fait près d'un siècle (1920) que ce type de ciment appelé CPC (Calcium Phosphate Cement) est utilisé en chirurgie comme substitut de l'os pour remplacer un os amputé ou comme enduit pour favoriser la croissance de l'os dans les implants, y compris dentaires.

Le CPC macroporeux développé pa l'équipe du Dr Pierre Weiss.

En 2012, Pierre Weiss et ses collègues avaient déjà mis au point un hydrogel à des fins thérapeutiques (cf. ce brevet de 2012 pour la culture de cellules souches) mais c'est la première fois que les chercheurs sont parvenus à produire du CPC macroporeux (auparavant les pores ne mesuraient pas plus de 50 nm), ce qui est indispensable pour faciliter la régénération de l'os.

Comme on le voit sur les photographies ci-dessus, la solution injectable contient un ciment de phosphate de calcium ou CPC et un agent moussant constitué de polymères hydrophiles, un hydrogel obtenu par la silanisation (fixation de silice sur une molécule) d'hydroxypropyl méthyl cellulose ou Si-HPMC formant des cavités et donc une structure trabéculaire similaire à celle de l'os (cf. ce brevet de 2015). Les essais cliniques in vivo réalisés sur des lapins ont montré que l'agent moussant n'est pas toxique (contrairement à l'agent E464 fabriqué selon le même principe) et que même combinée au CPC, la solution est biocompatible.

La mousse se fabrique en mélangeant les deux produits dans une seringue. La solution est ensuite injectée dans le site de l'implant où elle se transforme rapidement en mousse homogène au contact de l'air.

Cet os de synthèse pourrait à l'avenir venir en aide aux personnes souffrant d'ostéroporose et ont peut espérer qu'à moyen terme il sera disponible dans l'hôpital le plus proche de chez vous au même titre que les traitements classiques.

Les prothèses

Etant donné que la biotechnologie et la médecine régénérative ne permettent pas encore de régénérer n'importe quel organe ou partie du squelette, l'alternative la plus simple et plutôt efficace consiste à remplacer l'organe ou sa fonction par une prothèse tout ce qu'il y a de plus artificielle.

Parmi les prothèses très ordinaires souvent fabriquées en titane, beaucoup d'adultes portent par exemple une prothèse de rotule de hanche ou de genoux, des fixations vertébrales ou lombaires, une bridge ou une dent sur pivot implantée sur une visse qui remplace la racine dentaire et supplante définitivement le dentier que les plus riches peuvent reléguer au musée de la médecine du XXe siècle.

Les nouvelles thérapies et prothèses (en 2010). Documents 5W Infographic et Le Figaro.

La bioélectronique et les prothèses pilotées par ordinateur sont également entrées en force dans les nouvelles thérapies ainsi qu'en témoigne les graphiques présentés ci-dessous. Plus d'un handicapé vivent aujourd'hui avec des implants dans la tête, dans la colonne vertébrale, dans la poitrine, dans l'abdomen ou dans les membres. Ces appareils pas plus grands qu'une boîte d'allumettes et qui tendent encore à se miniaturiser jusqu'à l'épaisseur d'un film sont constitués d'un microprocesseur, d'un électrostimulateur ou de fils de silicium reliés aux nerfs du patient.

En 2000, le Dr Wolfgang Wagner de la clinique ORL de l'Université de Tübingen en Allemagne a fixé un implant cochléaire (auditif) sur le tron cérébral (ITC) de Gerald Zschornbak qui a pu à nouveau percevoir des sons.

Si la prouesse chirurgicale reste entière, paradoxalement ce genre d'intervention tend à se banaliser et fait de moins en moins la une des médias. Cette solution est particulièrement efficace chez les enfants. Chez les adultes, dans un tiers des cas cet implant cochléaire permet au patient de suivre normalement une conversation, tandis que les autres constatent une amélioration de leur compréhension.

Concernant les lésions de la rétine, le professeur Eberhart Zrenner de l'Hôpital de l'Oeil de l'Université de Tübingen étudie la possibilité de greffer un processeur de 3 mm de côté sur les cellules postérieures de la rétine. A l'Université de Boon, le professeur Rolf Eckmiller de la Division de Neuroinformatique développe un système de vision artificiel basé sur une caméra fixée sur des lunettes relié à un ordinateur et une puce également greffée sur la rétine du patient. Demain, les Pr Zrenner et Eckmiller vont peut-être rendre la vue aux non-voyants.

Concernant les reins dont la fonction est vitale pour purifier le sang de ses déchets, en moyenne 40 % des insuffisants rénaux chroniques vivent avec un rein transplanté et la liste d'attente était supérieure à 4 ans en 2012 en Belgique. Par conséquent, 6 0% des patients souffrant d'insuffisance rénale chronique doivent subir trois dialyses par semaine pour purifier leur sang. Le patient est relié à une machine encombrante pendant 3-4 heures à chaque séance, une méthode contraignante pour leur rythme de vie et parfois pénalisante pour leur vie professionnelle. Si la dialyse s'effectue encore souvent à l'hôpital, elle peut également être prise en charge à domicile (10 % des dialyses en Belgique).

Le rein bioartificiel développé par l'Université de Californie à San Francisco (UCSF).

Selon le Dr Ronco, 50 % des insuffisances rénales chroniques sont dues à une hypertension artérielle ou un diabète de type 2. Certains médicaments anti-inflammatoires et antibiotiques aggravent également la maladie. Aujourd'hui en France, une personne sur 22 présente une insuffisance rénale. Si la plupart des patients débutent généralement la dialyse vers 70 ans, elle affecte aussi la population active entre 49-69 ans et dans 30 % des cas, cela impacte leur vie professionnelle. 

Statistiquement, une personne sur 559 aux Etats-Unis (570000 patients), une sur 1000 en Belgique (11000 patients) et une sur 1700 en France (38000 patients) est dialysée mais deux fois plus de patients soit environ 2 millions de personnes dans le monde sont en phase terminale. Pour les personnes à risque, le dépistage précoce est donc vivement recommandé.

Pour aider les patients et éviter la contrainte de la dialyse qui reste finalement une solution à court terme, le bioingénieur Shuvo Roy qui dirige une équipe de 40 chercheurs à l'Université de Californie à San Francisco (UCSF) en collaboration avec neuf autres laboratoires américains ont présenté en 2010 le premier modèle de rein bioartificiel dont on voit une illustration à gauche. L'appareil alimenté sur batterie de 9V pesait 5 kg et se portait à la ceinture. Depuis le modèle a été amélioré et en 2013 sa taille fut réduite de 25 % et son poids réduit à 4 kg comme on le voit sur cette photo et dans la vidéo ci-dessous.

Le projet est toujours à la recherche de financements et fonctionne sur un budget interne mais surtout grâce à des donations qui s'élèvent en 2015 à plus de 7 millions de dollars. Au total, Shivo Roy estime que le développement complet du projet représente un investissement de 20 millions de dollars sur 10 ans. La moitié de cette somme a déjà été investie (phase 1).

L'appareil de dialyse comprend deux chambres, un hémofiltre qui reçoit le sang dont les membranes de filtrage en silicium tirent profit de la nanotechnologie (les pores mesurent quelques microns de diamètre) et un bioréacteur contenant des cellules rénales vivantes qui absorbent l'essentiel de l'eau, des sucres et des sels et les renvoient dans la circulation sanguine.

Cette nouvelle prothèse représente donc beaucoup d'espoir pour tous les patients dialysés en remplaçant l'encombrant appareillage clinique par un dispositif de la taille d'une petite boîte qui tient dans la main que le patient devra soit porter à la ceinture soit implantée à la place du rein malade. Cette solution permanente améliorera grandement la qualité de vie du patient. Les essais cliniques de cette prothèse révolutionnaire débuteront en 2017. Roy espère pouvoir fabriquer ce rein bioartificiel pour moins de 30000$ et le commercialiser vers 2020.

A voir : The Kidney Project at UCSF (2010)

The Artificial Kidney׃ Status and Next Steps (2016)

Statut du projet et Q&A : 2013, 2014, 2015, 2016

A l'inverse d'un rein naturel, l'appareil développé par l'UCSF ne peut pas secréter d'érythropoïétine, une hormone importante qui stimule la production de globules rouges. Comme les patients dialysés, les porteurs de ce rein bioartificiel devront prendre un médicament à vie. 

Notons que si une greffe de rein a une durée moyenne de vie de 10 à 12 ans, le rein bioartificiel peut fonctionnement indéfiniment et devra simplement être vérifié chez un spécailiste tous les deux ans notamment pour lui injecter de nouvelles cellules.

Dans le domaine des paralysies motrices, en mars 2000, le professeur Pierre Rabischong du CHU de Montpellier (unité 103 de l'INSERM, centre de traitement et de réadaptation pour tétraplégique Propara) a permis au Strasbourgeois Marc Merger devenu paraplégique suite à un accident de voiture, de sortir de son fauteuil roulant, de bouger ses jambes et de faire quelques pas aidé de simples béquilles. Voici quelques uns des brevets déposés par le Pr Rabischong depuis 1976.

Il y a 2000 ans, Jésus dit au paralytique "Lève-toi et marche". Voici qu'aujourd'hui la médecine en fait presque autant ! D'obédiance catholique, le paraplégique Marc Merger s'est donc senti doublement concerné par cet ordre et en fit le titre de son livre relatant son aventure médicale. 

L'électrostimulateur avant son implantation. Il est piloté par un ordinateur extérieur relié par câble qui, demain, sera un dispositif portable. Document Maxppp.

Car c'est bien l'aventure d'une science en mouvement qu'il nous relate. Le "miracle" a été permis grâce à des neuroprothèses et un électrostimulateur tel celui présenté à gauche constitué d'une puce implantée dans l'abdomen du patient lui permettant de stimuler les muscles de ses jambes qui ne recoivent plus d'impulsions nerveuses.

Quand le document a été présenté à la télévision, la prouesse technique en a ému plus d'un, notamment en pensant à tous les handicapés moteurs et en particulier à Christopher Reeves, le héro de "Superman" (1978) qui était alors cloué dans son fauteuil roulant suite à un accident de cheval survenu en 1995. Rappelons que Reeves et son épouse Dana ont encouragé la recherche sur la réparation de la moelle épinière à travers leur fondation Paralysis. Reeves nous quitta en 2004 sans jamais avoir pu remarcher, et son épouse en 2006.

Le Pr Rabischong tient à préciser que le coût de l'opération de Marc Mergner est revenu à environ 30000 € qui furent pris en charge par une aide de l'Union Européenne. Cette opération représente aujourd'hui la seule technique permettant à quelques paraplégiques de tenir sur leur deux jambes. Mais cela ne va pas encore les transformer en marcheur ordinaire.

Aujourd'hui, les médecins pensent miniaturiser le dispositif et supprimer les câbles extérieurs notamment qui le relie à l'ordinateur, mais, faute de sponsors, Marc Merger doit reporter l'opération en raison du prix prohibitif du prototype qui n'est remboursé par aucune forme de fond social, pas plus que la rééducation. En attendant, d'autres handicapés moteurs peuvent déjà profiter de la première génération d'électrostimulateurs.

A lire : Un mini télescope implanté dans l'oeil (2007, sur le blog)

La médecine bionique

Si d'un côté l'évolution de la médecine moderne tend résolument vers l'abandon des prothèses au profit de la réhabilisation des organes lésés (notamment par les progrès réalisés dans l'étude des cellules souches et la culture de tissus), une autre voie prometteuse est celle de la médecine bionique.

Le crochet au bout du bras, le bâton en guise de pied ou le bandeau sur l'oeil meurtri n'existe plus que dans les histoires de pirates. Et pourtant, en ces domaines, les prothèses artificielles et les greffes laissent encore à désirer au point que beaucoup d'amputés les jugent trop lourdes, trop rigides ou inesthétiques pour les utiliser quotidiennement.

Aujourd'hui, si les chirurgiens préfèrent encore greffer des mains sur des moignons justes sectionnés ou greffent des cultures de peau sur des grands brûlés des mains, c'est parce la victime dispose encore de ses avant-bras où se trouve les muscles commandant ses mains. Mais pour les victimes d'amputation jusqu'au coude ou jusqu'à l'épaule, ces muscles moteurs n'existent plus. Les neurochirurgiens n'ont pas d'autre solution que la prothèse et de tirer des nerfs de la poitrine notamment.

Depuis quelques années les neurochirurgiens choisissent de plus en plus la solution radicale : grâce à la cybernétique, ils envisagent de plus en plus remplacer le membre manquant par sa version artificielle et si possible bionique.

Si "L'homme qui valait 3 milliards" (1973-78) fit rêver toute une génération, aujourd'hui ce projet futuriste qui n'existait qu'au cinéma (bien que Lee Majors ait un genoux artificiel), devient progressivement une réalité. En effet, tout commença par les travaux précurseurs du professeur John Chapin alors à l'Ecole de Médecine de Philadelphie et de Miguel Nicolelis de la Duke University. Dans leur article publié en 2003, les chercheurs expliquent que leur but initial était de capter les informations transmises par le bras d'un singe à sa main au moyen d'électrodes placés dans le cerveau de l'animal. Le singe voyait sur un écran les aliments qu'il souhaitait attraper et pouvait commander à 1000 km de distance (par Internet) les mouvements d'un bras robotique.

Puis en 2004, le professeur John Donoghue et son équipe du Département de neurosciences de la Brown University ont mis au point une interface bionique (cerveau-informatique) permettant à Matt Nagle, tétraplégique C4 (paralysé depuis le cou), de contrôler son environnement directement par son cerveau. Pour la première fois, l'homme inventa une interface capable de transformer la pensée en action ! Nagle mourut en 2007.

Comme beaucoup de personnes, John Donoghue a été très sensible au calvaire et au combat de Christopher Reeves. La spinoff Cyberkinetics qu'il a créée travaille actuellement sur un dispositif capable de régénérer des fibres nerveuses afin de restaurer les sensations tactiles et le mouvement chez les personnes victimes d'une lésion de la moelle épinière.

Citons également les projets du DARPA destinés dans un premier temps à venir en aide aux vétérans de la guerre amputés des bras.

En 2006, les chercheurs du Centre de Médecine Bionique de l'Institut de Réhabilitation de Chicago (RIC) ont redonné le sourire à Claudia Mitchell, une jeune américaine amputée d'un bras. Ils lui ont permis de contrôler son bras bionique par la pensée (ci-dessous). Claudia Mitchell est devenue la première femme bionique ! Doté de six servomoteurs, son bras artificiel est relié à certains nerfs pectoraux de la jeune femme qui peut ainsi le contrôler. Inversement, elle ressent un effet quand une pression est exercée sur sa main bionique.

A voir : Un bras bionique pour les vétérans d'Irak, PBS

Durant une conférence de presse qui s'est tenue à Washington, D.C., en septembre 2006, Claudia Mitchell, la première femme bionique, a serré la main mécanique de Jesse Sullivan, également amputé, grâce à son bras bionique muni de 6 servomoteurs reliés à certains nerfs pectoraux de la jeune femme. Cette interface bionique permet à la jeune femme de piloter son bras par la pensée presque aussi facilement que chacun de nous le fait. Cliquer sur l'image pour lancer le film sur le site de PBS. Document RIC.

Un bras encore plus perfectionné de 2e génération a été élaboré par une équipe internationale de chercheurs sous l'égide du Laboratoire de Physique Appliquée (APL) de l'Université Johns Hopkins. Ce bras bionique présenté ci-dessous a été proposé à l'ingénieur Jonathan Kuniholm, qui perdit son avant-bras droit en 2005, alors qu'il servait dans le corps des Marines en Irak.

Ce prototype utilise des capteurs myoélectriques (des IMES ou Injectable MyoElectric Sensors) de la taille d'un grain de riz, développés par Robert Weir du RIC afin de rendre le bras plus compact. L'APL l'améliora dans un 3e prototype qui fut achevé en 2009. Depuis cette date, le kinésithérapeute et ingénieur Todd Kuiken et son équipe du RIC ont mis au point une main équipée de capteurs myoélectriques permettant au patient d'avoir des sensations tactiles.

Au delà de l'évènement chirurgical et médiatique, ces bras et ces mains bioniques donnent de l'espoir à tous les vétérans revenus de la guerre, et notamment d'Irak et aux victimes d'amputation.

A voir : Mercedes give teen a new bionic arm

Bionic hand gives a new lease of life

A prosthetic arm that feels, BBC Future/RIC

Le 7 août 2007, l'armée américaine a révélé par le biais de son contractant, le Laboratoire de Physique Appliquée (APL) de l'Université Johns Hopkins, son deuxième prototype de bras bionique. Le prototype a été présenté au cours de la conférence DARPATech 2007, le symposium sur la technologie et les systèmes développés par le DARPA. Il a été testé sur Jonathan Kuniholm, un Marine amputé de l'avant-bras droit en Irak. A droite, la main bionique développée par Nicolas Huchet et qui revient à moins de 1000 €. Document Bionicohand.

Seul contrepoint, cette technologie est très chère et n'est pas remboursée par la sécurité sociale. Les mutuelles remboursent bien certaines prothèses de main mais en général est sont très simples, peu efficaces et inesthétiques. Aujourd'hui une prothèse de main bionique simple revient entre 20000 € pour le modèle "Touch Bionics" fabriquée en Écosse et plus de 50000 €.

Bonne nouvelle, Nicolas Huchet, un inventeur français, est parvenu à fabriquer une prothèse performante Open Source pour moins de 1000 € comme l'explique cet article paru dans le webzine de France Info et dans Le Monde en 2014. Notons que l'association Bionicohand propose plusieurs solutions équivalentes et publie également des actualités sur l'état de la recherche en ce domaine.

De la réalité à la fiction

Si les prothèses bioniques nous font déjà imaginer des jambes, des bras et des mains articulées à la puissance décuplée, ne faisons pas l'amalgame entre les prothèses conçues pour les handicapés moteurs, qu'il s'agisse de Claudia Mitchell, Marc Mergner ou de Stephen Hawking et les cyborgs et autres robots dotés d'intelligence artificielle.

Les prothèses bioniques sont encore très loin de la souplesse des cyborgs qui déambulent nonchalamment dans "Star Trek" ou des androïdes belliqueux de " Star Wars" ou "Terminator".

En fait, notre technologie bionique arrive à peine à satisfaire le cahier des charges de "L'Homme qui valait 3 milliards" des Studios d'Universal (1974) ou de "Robocop" de la MGM et Orion Films (1987). En fait, en l'état actuel de la technologie, nous ne serions même pas retenus sur leur "short list" !

Quant au clonage, non seulement les lois interdisent le clonage d'êtres humains, mais la technologie n'est pas encore totalement sous contrôle ni optimisée comme elle peut apparaître dans "Blade Runner" de Ridley Scott (1982).

A voir : Six Million Dollar Man, Universal Studios, 1974-78

Blade Runner, Ridley Scott, 1982

Robocop, MGM/Orion Films, 1987

Entre notre réalité et la fiction présentée au cinéma, il n'y a rien de commun. Certes tout est artificiel à Hollywood mais il faut comprendre... truqué à grand renfort d'effets spéciaux. Il y a un gouffre technologique et temporel entre ce que nous pouvons et ce que nous voudrions faire en matière de médecine, de nanotechnologie, de bionique et de robotique, un vide scientifique et technologique que nous ne comblerons peut-être pas avant plusieurs générations voire plusieurs siècles dans certains domaines.

"Cyber woman". Une entité biomécanique. Illustrateur inconnu, image corrigée par l'auteur.

Mais parler d'intelligence artificielle à propos d'une prothèse bionique nous éloigne très rapidement de notre sujet qui n'a d'intelligence que celle du programme que l'informaticien ou le cybernéticien a stocké dans la mémoire de sa puce électronique.

Du reste, il n'est pas certain que notre société soit prête à accepter la présence de créatures disposant d'intelligence artificielle parmi nous. En effet, la plupart des chercheurs en IA pensent que si les gens accepteront facilement des implants bioniques, y compris dans le cerveau, ils n'accepteront jamais de confier leur conscience à un support artificiel ou d'être commandés par une machine.

Pas plus que nous n'accepterions d'être influencés inconsciemment par des informations venues de l'extérieur si d'aventure notre corps était connecté à des systèmes artificiels. "L'unité carbone" a encore un bel avenir.

Même si on écarte la possibilité ou le risque diront certains de voir les humains se transformer en cyborgs, il reste que le progrès influence déjà notre espérance de vie en éloignant le spectre de la mort. Là où il y a 50 ans on mourait d'une malformation cardiaque aujourd'hui on peut vivre avec un coeur artificiel, et ce n'est qu'un exemple.

On estime qu'un enfant sur deux qui naît aujourd'hui sera centenaire. Google qui investit beaucoup dans les biotechnologies (pour des raisons d'intérêts personnels liées aux problèmes de santé de leurs dirigeants), a créé en 2013 la startup Calico, dirigée par Arthur D. Levingston, dont le but est de combattre les effets de la vieillesse et d'augmenter l'espérance de vie de 20 ans d'ici 2035.

Selon le Dr Oliver Curry de l'Ecole d'Economie de Londres (LSE), sans faire appel à la technologie nous vivrons 120 ans en l'an 3000. Grâce aux nanobiotechnologies, selon le Dr Laurent Alexandre de DNAVision nous pourrions vivre 1000 ans ! Y gagne-t-on quelque chose ? La question reste ouverte.

On peut toutefois déjà émettre un bémol en ce qui concerne les maladies dites de civilisation et liées à la vieillesse (cancers, maladies cardio-vasculaires, diabète, Alzheimer, etc.) dont la proportion augmente dans tous les pays riches à mesure que la population vieillit.

Jusqu'où la Science peut-elle aller trop loin ? On ne peut le dire franchement sans mettre d'obstacles au progrès, n'en conviennent aux plus conservateurs. Mais l'éthique a un rôle certain à jouer dans cette aventure. Notre société doit avoir des garde-fous et définir clairement les limites entre l'imagination et la folie, la rationnalité et la démagogie, la science et la fiction, le progrès et la décadence.

A lire : L'homme qui vivra 1000 ans est déjà né (sur le blog)

Essai de prospective du Dr Laurent Alexandre de DNAVision

L'avenir de l'homme (sur ce site)

Dans 1000, 10000 et 100000 ans par le Dr Oliver Curry du LSE

L'imprimante 3D

Depuis quelques années les chercheurs utilisent des imprimantes 3D pour fabriquer des objets; à partir d'un logiciel de modélisation tel AutoCAD et une matière première malléable supportant la chaleur (rouleau de fil en plastique, poudre métallique, etc), le logiciel pilotant l'imprimante découpe le modèle en tranches de 0.15 mm et le sculpte dans la matière première. Au final, vous disposez d'un objet fini prêt à être utilisé.

Aujourd'hui une imprimante 3D peut déjà fabriquer des prothèses médicales en polymères ou en titane (tête de rotule, os du crâne, stent, etc) et des modèles anatomiques, son champ d'application était aussi vaste que l'imagination (cf. les jouets et accessoires, les pièces d'un réacteur miniature, la sculpture mathématique, etc) et comprend même des voitures, des maisons préfabriquées et des aliments.

En 2014, la première imprimante 3D capable de traiter la fibre de carbone ainsi que le plastique, le nylon et l'acide polylactique (PLA) en continu a été commercialisée par l'entreprise MarkForg3D (5000$ en 2014). La Mark One 3D permet de fabriquer des objets de 30.5 x 16 x 16 cm maximum avec une précision de 10 microns.

A voir : L'impression 3D

Amazing 3D Models Created on Objet 3D Printers

The First Carbon Fiber 3D Printer - Reconstruction faciale

Entreprises : MX3D (PB) - Materialise (B) - Stratasys (F) - Sculpteo (F) - Shapeways (USA)

Document MX3D

 Si ses principales applications concernent le domaine de la mécanique (secteur automobile, aviation, etc), la fibre de carbone étant à la fois solide, résistante et légère, elle trouve également des usages en médecine où elle peut servir de matière première pour fabriquer des pivots radiculaires (dents sur pivot), des éléments de reconstruction faciale et de petits accessoires.

A plus grande échelle, la fibre de carbone peut s'utiliser pour fabriquer des civières par exemple ou des accessoires robotiques. N'étant pas un métal, la fibre de carbone est transparente aux rayonnements de courtes fréquences et peut donc également être utilisée pour fabriquer certains éléments des scanners et autre installation IRM.

Face à ce marché en plein développement, on ne s'étonnera pas qu'une entreprise comme Materialise installée près de Bruxelles et spécialisée dans les impressions 3D offre son expertise aux ingénieurs des plus grandes entreprises du secteur automobile et au secteur médical, sans oublier les particuliers qui souhaitent une impression 3D customisée.

Dans le futur, l'imprimante 3D fabriquera des tissus vivants voire même des organes complets à partir de cellules mises en culture. Si on peut l'envisager pour des organes non vitaux, des tissus secondaires ou pour reconstruire des os (notamment la mâchoire, des parties du crâne, un tibia ou d'autres parties du corps), ne rêvons pas. Ce n'est probablement pas au cours de ce siècle que les médecins pourront guérir des personnes qui sont aujourd'hui en phase terminale du fait d'une malfonction ou du cancer d'un organe vital. Cultiver in vitro un organe vital sera une autre révolution que nous réserve peut-être l'avenir.

En attendant, pour un prix oscillant entre 1500 € et 4000 €, l'imprimante 3D offre l'avantage d'éviter la phase de conception du moule et de l'éventuelle sous-traitance. Actuellement, une imprimante 3D "grand public" peut fabriquer des volumes d'environ 50x30x30 cm. Elle permet à un particulier ou une startup de fabriquer des produits à petite échelle et de les commercialiser. Bientôt on en proposera en grandes surfaces et elles deviendront des objets de grande consommation comme n'importe quel autre produit.

Prochain chapitre

La domotique

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