Conclusion

Dans cette partie, le contrˆole de la cavitation a ´et´e appliqu´e pour deux dispositifs de transfec- tion cellulaire. Premi`erement, l’insonification a ´et´e effectu´ee grˆace au contrˆole de la cavitation inertielle sur une platine de microscopie avec deux transducteurs plans mont´es en parall`ele, permettant la sonoporation de cellules en suspension et adh´erentes dans un puits de culture. Apr`es avoir d´etermin´e l’activit´e de cavitation dans le puits, les taux de sonoporation et de mortalit´e cellulaire sont mesur´es par cytom´etrie de flux. Quatre configurations de tir sont com- par´ees : avec ou sans boucle de r´etroaction, et avec ou sans l’utilisation d’agents de contraste

ultrasonores dans le milieu. En l’absence d’agents de contraste, les r´esultats montrent une ac- tion de sonoporation plus r´ep´etable en utilisant la boucle de r´etroaction. Avec des cellules en suspension, les r´esultats montrent que l’action de r´etroaction ne permet pas de contrebalancer l’action des agents de contraste avec la boucle de r´etroaction : les niveaux de sonoporation sont plus faibles pour une mˆeme consigne de CI et la tension n´ecessaire pour atteindre la consigne est plus importante sans UCA. Une hypoth`ese pr´esent´ee pour expliquer la diff´erence entre les taux de sonoporation est la diff´erence entre la taille des bulles du nuage libre et la taille des agents de contraste. Cela causerait une diff´erence au niveau du bruit de cavitation mesur´e. Ensuite, la r´egulation de la cavitation stable et inertielle est appliqu´ee `a un dispositif de trans- fection de cellules en suspension avec deux transducteurs confocaux sans agents de contraste. Les r´esultats ont montr´e que le contrˆole de cavitation stable permettait un taux de sonopora- tion cellulaire plus r´ep´etable qu’en boucle ouverte et plus important qu’avec le contrˆole de la cavitation inertielle.

Les deux ´etudes pr´esent´ees ouvrent des perspectives pour des travaux suppl´ementaires. En utilisant des agents de contraste de tailles diff´erentes ou une autre fr´equence d’excitation, la comparaison entre les taux de sonoporation permettrait de valider ou d’invalider l’hypoth`ese d’un bruit de cavitation variable en fonction de la taille des bulles. De plus, l’impl´ementation d’un contrˆole `a la fois sur le bruit large bande et sur les ´emissions sous-harmoniques permettrait de r´eduire l’´emission de cavitation inertielle et d’exclure l’effet d’´eventuels bursts de cavitation inertielle sur la sonoporation.

Conclusion

La cavitation est un ph´enom`ene `a caract`ere non r´ep´etable, dont la dynamique `a l’´echelle d’une bulle ou d’un nuage est vari´ee, allant de l’oscillation faiblement non lin´eaire et stable des bulles jusqu’`a un regime d’implosion tr`es instable des bulles. Dans l’objectif de limiter les effets des- tructeurs de l’implosion des bulles, un r´egime de cavitation purement stable doit potentiellement ˆ

etre vis´e pour des applications th´erapeutiques sensibles comme la sonoporation cellulaire. C’est ce qui a ´et´e ´etudi´e dans le cadre de cette th`ese.

Dans le premier chapitre, une ´etude num´erique et analytique des conditions d’´emission de la signature acoustique de cavitation stable est r´ealis´ee. Le seuil d’´emission du sous-harmonique

f₀/2 pour une bulle unique est obtenu num´eriquement puis approxim´e analytiquement par d´eveloppement asymptotique de l’´equation de Rayleigh-Plesset g´en´eralis´ee. A fr´equence f₀ d’excitation ultrasonore fix´ee, ce seuil varie en fonction de la taille de la bulle, avec un mi- nimum pour une bulle dont le rayon est le double du rayon r´esonant. L’extension de l’´etude de la dynamique `a celle d’un nuage monodisperse et homog`ene permet de mettre en ´evidence l’effet de l’interaction entre bulles sur le seuil de cavitation : le minimum du seuil d’´emission sous-harmonique diminue en pression et se d´ecale en fonction de la densit´e de bulle du nuage vers des rayons inf´erieurs `a deux fois le rayon r´esonant. Ainsi, il est montr´e, pour un nuage de bulles de mˆeme rayon et uniform´ement r´eparties dans l’espace, qu’il existe une densit´e de bulle optimale pour que l’´emission de la composante sous-harmonique soit maximale. Le lien entre le terme de couplage et la concentration de bulles permet d’approximer la concentration th´eorique optimale d’un nuage de bulles sph´erique pour des ´emissions sous-harmoniques en fonction des tailles des bulles et de la fr´equence d’excitation du dispositif.

Dans le deuxi`eme chapitre, une strat´egie de contrˆole est d´evelopp´ee, bas´ee sur une boucle de r´etroaction r´egulant la signature acoustique d’un r´egime donn´e de cavitation. Les activit´es de cavitation stable et inertielle sont mesur´ees en temps r´eel (toutes les 250 μs) dans une configura- tion de nuage libre. Les deux types d’insonification pr´esent´es sont des tirs `a intensit´e acoustique constante (boucle ouverte), et des tirs avec la modulation temporelle de l’intensit´e acoustique (boucle ferm´ee). L’utilisation de la strat´egie d’asservissement permet, contrairement `a la confi- guration en boucle ouverte, de discriminer les r´egimes de cavitation stable et inertielle au cours du temps. Elle permet aussi de garantir une activit´e de cavitation plus stable temporellement, plus reproductible, et ce pour des ´energies acoustiques moyennes d´elivr´ees inf´erieures (gain de 20 %).

Dans le dernier chapitre, le processus de contrˆole est utilis´e exp´erimentalement dans une configuration en champ stationnaire pour des applications in vitro de sonoporation cellu- laire. Tout d’abord, une ´etude de sonoporation en cavitation inertielle r´egul´ee met en ´evidence l’am´elioration de la reproductibilit´e des taux de sonoporation obtenus, et la possibilit´e de s’af- franchir de l’utilisation d’agents de contraste comme agents de nucl´eation. Il a cependant ´et´e montr´e que la strat´egie de r´egulation ne pr´esentait pas d’avantage particulier `a l’usage d’agents de contraste. Dans le cas du dispositif avec transducteurs confocaux, la strat´egie de r´egulation sur l’´emission de sous-harmonique a permis d’optimiser l’´emergence de l’indicateur de cavitation stable et donne les taux de sonoporation plus int´eressants et plus r´ep´etables que l’excitation ultrasonore en boucle ouverte ou que l’excitation r´egul´ee sur l’indice de cavitation inertielle. Malgr´e tout, en conservant une consigne d’´emission f₀/2 constante au cours du temps, les acti-

vit´es de cavitation inertielle sont clairement diminu´ees mais non compl`etement supprim´ees. Il est donc toujours impossible d’affirmer si ce sont les effets de cavitation stable (oscillation et microstreaming) sur le long terme (durant les 60 secondes) ou les activit´es br`eves de cavitation inertielle (ondes de chocs, implosions), ou encore une combinaison des deux, qui sont respon- sable de l’internalisation des drogues. A l’heure actuelle, la strat´egie de r´egulation donne une activit´e majoritairement stable, avec moins de 5 % d’´ev`enements de cavitation inertielle. Dans le cas concret de l’ouverture de la barri`ere h´emato-enc´ephalique, il est n´ecessaire d’´eviter ces exc`es. Pour palier `a la pr´esence d’activit´e brusque de cavitation inertielle, une strat´egie d’as- servissement plus complexe de r´egulation pourrait ˆetre d´efinie en prenant en compte la mesure des deux indicateurs de cavitation.

D’autre part, les travaux num´eriques sur le seuil d’apparition de cavitation stable ouvrent plusieurs perspectives. Premi`erement, les comportements de d´ecalage et l’abaissement du seuil d’´emission sous-harmonique ont ´et´e mod´elis´es avec les hypoth`eses de bulles libres d´ej`a nucl´e´ees. Or, dans le cas d’un nuage libre, la population de bulles n’est pas control´ee, `a cause d’une grande sensibilit´e du processus de nucl´eation au conditions initiales (inhomog´en´eit´es, impuret´es). Ainsi, l’utilisation d’agents de contraste (UCA) permettait de passer outre le processus de nucl´eation. Pour approcher exp´erimentalement l’hypoth`ese d’un nuage monodisperse, l’utilisation de mi- crobulles encapsul´ees serait aussi commode car elle permettrait un distribution centr´ee autour d’une valeur de rayon (de 1 micron dans le cas d’une solution Sonovue). Ainsi, l’impl´ementation d’un mod`ele th´eorique de la dynamique de bulles `a coques avec une modification des ´equations (Reyleigh-Plesset ou Keller-Miksis) devrait ˆetre consid´er´ee pour mod´eliser de nouveaux seuils de cavitation de mani`ere `a pouvoir faire un lien avec une configuration exp´erimentale. Les r´esultats pourraient aussi donner une r´eponse aux hypoth`eses soulev´ees sur l’effet de la taille des bulles du nuage sur l’´emission du bruit de cavitation.

Le mod`ele de nuage monodisperse utilis´e pr´esente tout de mˆeme des limites quant `a l’effet r´eel de l’augmentation du nombre de bulle. Une des hypoth`eses est que la bulle d’int´erˆet est positionn´ee au centre du nuage avec les contributions en terme de pressions des autres bulles ajout´es. Cependant, il n’est pas difficile de penser que l’onde acoustique propag´ee d’une bulle `

a l’autre, ou d’une bulle vers le point de mesure puisse ˆetre att´enu´ee `a cause de la pr´esence des bulles sur le chemin. Une des limites du mod`ele de nuage pr´esent´e ici est qu’il ne prend pas en compte l’effet de l’att´enuation des bulles sur la propagation de l’onde rayonn´ee et il est en effet possible que les bulles se ”gˆenent” entre elle. De plus, un des r´esultats non-d´evelopp´e dans le cadre de cette th`ese est la diminution de la dynamique de l’´emission sous-harmonique en fonction du facteur de couplage. Pour obtenir la vraie dynamique de pression, il est n´ecessaire de prendre en compte les pressions rayonn´ees des autres bulles. Multiplier par N (nombre to- tale de bulle) l’amplitude de pression pourrait ˆetre une premi`ere intuition mais une ´etude de la validit´e des hypoth`eses est n´ecessaire.

Pour de potentielles applications m´edicales in vivo du dispositif de contrˆole, d’autres probl´ematiques apparaissent. Contrairement `a notre configuration d’´etude en nuage libre, l’application in vivo implique une propagation de l’onde dans des tissus h´et´erog`enes. Cette configuration peut im- pliquer de l’att´enuation, une augmentation du temps de vol de l’onde r´etro-propag´ee ou encore la pr´esence de r´eflexions d’onde. Une calibration est alors n´ecessaire pour lier la position de la zone de traitement avec un nouveau temps de vol de mani`ere `a mesurer un signal coh´erent et repr´esentatif de l’activit´e de cavitation. Le gain de r´etroaction de la boucle de contrˆole de- vra aussi ˆetre choisi avec un soin particulier pour ´eviter une r´egulation trop r´eactive et un ´

echauffement des tissus.

Une autre probl´ematique est celle de la localisation de l’activit´e de cavitation. En effet, pour g´en´erer une activit´e de cavitation r´ep´etable `a un endroit cibl´e dans le corps humain, il faut contrˆoler spatialement l’activit´e de cavitation. Un couplage de l’´ecoute de cavitation stable avec un syst`eme d’imagerie de cavitation permettrait de s’assurer de la localisation de la zone cavi- tante. Dans le cas notamment de l’ouverture de la barri`ere h´emato-enc´ephalique, des strat´egies synchronis´ees de contrˆole par l’´ecoute et de localisation, coupl´ees `a l’utilisation d’un transduc- teur focalis´e et d’agents de contraste (comme germes cavitants uniquement dans les vaisseaux sanguins) pourrait donner des effets biologiques plus r´ep´etables.

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