Physique médicale et biotechnologie : nos recherches préférées en 2022

Du développement d'algorithmes avancés d'apprentissage automatique à la construction d'appareils qui amélioreront l'accès à des traitements efficaces pour les patients du monde entier, les chercheurs travaillant en physique médicale, en biotechnologie et dans les nombreux domaines connexes continuent d'appliquer des techniques scientifiques pour améliorer les soins de santé dans le monde entier. Monde de la physique a rendu compte de nombreuses innovations de ce type en 2022, voici quelques-uns des faits saillants de la recherche qui ont retenu notre attention.

L'IA dans tous les domaines

L'intelligence artificielle (IA) joue un rôle de plus en plus répandu dans le domaine de la physique médicale - du traitement de la grande quantité de données générées lors de l'imagerie diagnostique, à la compréhension de l'évolution du cancer dans le corps, en passant par la conception et l'optimisation des traitements. Avec ça en tête, Monde de la physique a organisé une semaine de l'IA dans la physique médicale en juin, examinant l'utilisation de l'apprentissage en profondeur pour des applications telles que radiothérapie adaptative en ligne, Imagerie TEP, calcul de la dose de protons, analyse des tomodensitogrammes de la tête ainsi que identifier l'infection au COVID-19 dans les scintigraphies pulmonaires.

Plus tôt dans l'année, une session dédiée à la réunion de mars de l'APS a examiné certaines des dernières applications médicales de l'IA et de l'apprentissage automatique, y compris l'apprentissage en profondeur pour diagnostiquer et surveiller les troubles cérébraux et les maladies neurodégénératives, et l'utilisation de l'IA pour l'enregistrement et la segmentation des images. Une autre étude intrigante a été l'utilisation par l'EPFL d'un réseau de neurones pour créer un microscope intelligent qui détecte les précurseurs subtils d'événements biologiques rares et contrôle ses paramètres d'acquisition en réponse.

La promesse du proton FLASH

Dans un développement qui en a également fait notre Top 10 des percées de l'année pour 2022, la réunion annuelle ASTRO de cette année a vu Emily Daugherty du centre de cancérologie de l'Université de Cincinnati rapporter les conclusions de la premier essai clinique de radiothérapie FLASH. Les traitements FLASH - dans lesquels le rayonnement thérapeutique est délivré à des débits de dose ultra-élevés - sont prometteurs pour réduire la toxicité des tissus normaux tout en maintenant l'activité anti-tumorale. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé la protonthérapie FLASH pour traiter 10 patients présentant des métastases osseuses douloureuses. Ils ont démontré la faisabilité du flux de travail clinique et montré que le traitement était aussi efficace que la radiothérapie conventionnelle pour soulager la douleur, sans provoquer d'effets secondaires inattendus.

L'étude représente également la première utilisation humaine du proton FLASH. La plupart des études précliniques FLASH précédentes utilisaient des électrons; mais les faisceaux d'électrons ne parcourent que quelques centimètres dans les tissus tandis que les protons pénètrent beaucoup plus profondément. Dans l'espoir d'exploiter cet avantage, de nombreux autres groupes étudient également le proton FLASH, y compris des scientifiques de l'Université de Pennsylvanie qui ont utilisé la modélisation informatique pour déterminer lequel est le plus efficace. technique de livraison efficace pour les faisceaux de protons FLASH, et des chercheurs du centre médical universitaire Erasmus, de l'Instituto Superior Técnico et de HollandPTC, qui ont développé un algorithme qui optimise les schémas de distribution de faisceaux de protons en forme de crayon pour maximiser la couverture FLASH.

Redonner la vue

Restaurer la vision de ceux qui ont perdu la capacité de voir est une tâche de recherche importante. Cette année, nous avons rendu compte de deux études qui visent à se rapprocher un peu plus de cet objectif. Des chercheurs de l'Université de Californie du Sud étudient l'utilisation de stimulation par ultrasons pour traiter la cécité causée par une dégénérescence rétinienne. Alors que les prothèses visuelles qui restaurent la vue par stimulation électrique des neurones rétiniens ont déjà été utilisées avec succès chez les patients, il s'agit de dispositifs invasifs qui nécessitent des chirurgies d'implantation complexes. Au lieu de cela, l'équipe a démontré que la stimulation des yeux d'un rat aveugle avec des ultrasons non invasifs peut activer de petits groupes de neurones dans l'œil de l'animal.

Ailleurs, une équipe en Suède, en Iran et en Inde a développé une nouvelle façon de produire des cornées artificielles, en utilisant du collagène de qualité médicale provenant de peau de porc (un sous-produit purifié de l'industrie alimentaire) que les chercheurs ont traité chimiquement et photochimiquement pour améliorer sa résistance et sa stabilité. Dans une étude pilote de 20 patients, ils ont montré que leurs implants étaient solides et résistants à la dégradation et pouvaient entièrement restaurer la vue des patients grâce à une chirurgie mini-invasive. Sur la base de ce succès, Mehrdad Rafat et son équipe espèrent que la nouvelle approche pourra remédier à la pénurie de cornées de donneurs à greffer et augmenter les options de traitement pour les nombreuses personnes dans le monde ayant un besoin urgent de nouvelles cornées.

Innovations d'interface cerveau-ordinateur

Les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) fournissent un pont entre le cerveau humain et les logiciels ou matériels externes. Cette année, des chercheurs ont utilisé avec succès un BCI implanté pour permettre à une personne complètement paralysée de communiquer. L'équipe - du Wyss Center for Bio and Neuroengineering, ALS Voice et de l'Université de Tübingen - a implanté deux minuscules réseaux de microélectrodes à la surface du cortex moteur du participant. Les électrodes enregistrent des signaux neuronaux, qui sont décodés et utilisés dans un orthographe à rétroaction auditive qui invite l'utilisateur à sélectionner des lettres. Le patient, qui souffrait de sclérose latérale amyotrophique (SLA) et était dans un état complètement enfermé sans mouvement volontaire restant, a appris à modifier sa propre activité cérébrale en fonction du retour audio reçu, lui permettant de former des mots et des phrases et de communiquer à un rythme moyen d'environ un caractère par minute.

Au lieu d'utiliser des électrodes implantées pour détecter l'activité cérébrale, les signaux neuronaux peuvent également être collectés de manière non invasive à l'aide d'électrodes d'électroencéphalographie (EEG) fixées au cuir chevelu. Une équipe de l'Université de technologie de Sydney a développé un nouveau biocapteur à base de graphène qui détecte les signaux EEG avec une sensibilité et une fiabilité élevées, même dans des environnements très salins. Le capteur, qui est fabriqué à partir de graphène épitaxial développé sur un substrat de carbure de silicium sur silicium, combine la biocompatibilité et la conductivité élevées du graphène avec la robustesse physique et l'inertie chimique de la technologie du silicium.