Par une belle soirée d'automne 2006, le Dr Sylvain Martel a retenu son souffle pendant qu'un technicien chargeait un cochon anesthésique dans une machine IRMf rotative. Ses yeux fixaient un écran d'ordinateur qui montrait une perle magnétique suspendue dans un mince vaisseau sanguin de porc. La tension dans la pièce pouvait être ressentie physiquement. Soudain, le ballon a pris vie et a glissé sur le navire comme un sous-marin microscopique se dirigeant vers sa destination. L'équipe a éclaté sous les applaudissements.
Martel et son équipe testaient une nouvelle façon de contrôler à distance de minuscules objets à l'intérieur d'un animal vivant en manipulant les forces magnétiques de la machine. Et pour la première fois, cela a fonctionné.
Les scientifiques et les écrivains rêvent depuis longtemps de minuscules robots qui se déplacent dans le vaste système circulatoire du corps, comme des explorateurs de l'espace étudiant les galaxies et leurs habitants. Le potentiel est énorme: de minuscules robots médicaux pourraient, par exemple, transférer des médicaments radioactifs vers des grappes de cancer, effectuer une intervention chirurgicale à l'intérieur du corps ou nettoyer les caillots sanguins au plus profond du cœur ou du cerveau.
Un rêve, un rêve, mais avec l'aide de robots, explique le Dr Bradley Nelson de l'Université polytechnique de Zurich, les gens pourraient plonger directement dans la circulation sanguine pour effectuer une chirurgie du cerveau.
Pour le moment, les micro-robots médicaux sont pour la plupart fictifs, mais cela pourrait changer au cours de la prochaine décennie. Cette semaine, le Dr Mariana Medina-Sánchez et Oliver Schmidt de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les solides et les matériaux à Dresde, en Allemagne, ont publié un article dans Nature qui est passé des grands écrans aux laboratoires de nano-ingénierie, décrivant les priorités et les tests réalistes pour faire revivre ces petits chirurgiens.
Création de déménageurs
Les micro-robots médicaux font partie du voyage de la médecine vers la miniaturisation. En 2001, la société israélienne a lancé la PillCam, une capsule en plastique de la taille d'un bonbon équipée d'une caméra, d'une batterie et d'un module sans fil. Lors de ses déplacements dans le tube digestif, la PillCam renvoyait périodiquement des images sans fil, offrant une méthode de diagnostic plus sensible et moins toxique que l'endoscopie ou la radiographie traditionnelle.
Vidéo promotionelle:
La PillCam est de taille gigantesque pour un microrobot parfait, ce qui la rend uniquement adaptée au tube relativement large de notre système digestif. Cette pilule était également passive et ne pouvait pas s'attarder dans des endroits intéressants pour un examen plus détaillé.
«Un vrai robot médical doit se déplacer et progresser à travers un réseau complexe de tubules remplis de liquide dans les tissus profonds du corps», explique Martel.
Le corps, malheureusement, n'est pas très accueillant pour les invités extérieurs. Les micro-robots doivent résister aux sucs gastriques corrosifs et flotter en amont dans la circulation sanguine sans moteur.
Les laboratoires du monde entier tentent de trouver des alternatives sensées pour résoudre le problème nutritionnel. Une idée est de créer des fusées chimiques: des micro-robots cylindriques avec du «carburant» - un métal ou un autre catalyseur - qui réagit avec les sucs d'estomac ou d'autres fluides, en émettant des bulles à l'arrière du cylindre.
«Ces moteurs sont difficiles à contrôler», affirment Medina-Sanchez et Schmidt. Nous pouvons contrôler approximativement leur direction en utilisant des gradients chimiques, mais ils ne sont pas assez robustes et efficaces. La conception de carburants non toxiques à base de sucre, d'urée ou d'autres fluides corporels est également confrontée à des défis.
Une meilleure alternative serait des moteurs physiques métalliques qui pourraient être activés par des changements dans le champ magnétique. Martel, comme le montre sa démonstration de perle dans le porc, a été l'un des premiers à enquêter sur de tels moteurs.
La machine IRM est idéale pour contrôler et imager des microrobots prototypes métalliques, explique Martel. La machine dispose de plusieurs ensembles de bobines magnétiques: l'ensemble principal magnétise le microrobot après son introduction dans la circulation sanguine à travers un cathéter. Ensuite, en manipulant les bobines de gradient IRM, nous pouvons générer des champs magnétiques faibles pour pousser le microrobot à travers les vaisseaux sanguins ou d'autres tubes biologiques.
Dans des expériences ultérieures, Martel a fabriqué des nanoparticules de fer et de cobalt recouvertes d'un médicament anticancéreux et a injecté ces minuscules soldats à des lapins. À l'aide d'un programme informatique pour modifier automatiquement le champ magnétique, son équipe a guidé les robots directement sur la cible. Bien qu'il n'y ait pas eu de tumeurs réelles dans cette étude particulière, Martel dit que des projets comme ceux-ci pourraient être utiles dans la lutte contre le cancer du foie et d'autres tumeurs avec des vaisseaux relativement gros.
Pourquoi pas de petits bateaux? Le problème est encore une fois l'énergie. Martel a pu réduire le robot à quelques centaines de micromètres - rien de moins nécessite des gradients magnétiques si grands qu'ils perturbent les neurones du cerveau.
Microcyborgs
Une solution plus élégante consiste à utiliser des moteurs biologiques qui existent déjà dans la nature. Les bactéries et les spermatozoïdes sont armés de queues de coup de fouet qui les propulsent naturellement à travers des tunnels sinueux et des cavités corporelles pour effectuer des réactions biologiques.
En combinant des pièces mécaniques avec des pièces biologiques, on pourrait faire en sorte que ces deux composants se complètent en cas de panne.
Un exemple est un robot de sperme. Schmidt a développé de minuscules bobines métalliques qui s'enroulent autour du sperme paresseux, lui donnant la mobilité nécessaire pour atteindre l'ovule. Le sperme peut également être chargé de médicaments associés à la microstructure magnétique pour traiter les cancers de l'appareil reproducteur.
Il existe également des groupes spécialisés de bactéries MC-1 qui s'alignent sur le champ magnétique terrestre. En générant un champ relativement faible - suffisant pour vaincre celui de la Terre - les scientifiques peuvent orienter la boussole interne de la bactérie vers une nouvelle cible comme le cancer.
Malheureusement, les bactéries MC-1 ne peuvent survivre dans le sang chaud que pendant 40 minutes, et la plupart ne sont pas assez fortes pour nager contre la circulation sanguine. Martel veut créer un système hybride de bactéries et de vessies graisseuses. Les bulles, chargées de particules magnétiques et de bactéries, seront dirigées vers des vaisseaux plus grands utilisant des champs magnétiques puissants jusqu'à ce qu'ils pénètrent dans les plus étroits. Puis ils éclatent et libèrent un essaim de bactéries qui, de la même manière, en utilisant de faibles champs magnétiques, achèveront leur voyage.
Avancer
Alors que les scientifiques ont esquissé un tas d'idées sur la propulsion, le suivi des microrobots une fois qu'ils ont été implantés dans le corps reste un défi de taille.
Des combinaisons de différentes techniques d'imagerie peuvent aider. L'échographie, l'IRM et l'imagerie infrarouge sont trop lentes pour observer les opérations des microrobots profondément dans le corps. Mais en combinant la lumière, le son et les ondes électromagnétiques, nous pourrions augmenter la résolution et la sensibilité.
Idéalement, une technique d'imagerie devrait être capable de suivre des micromoteurs à 10 centimètres sous la peau, en 3D et en temps réel, se déplaçant à une vitesse minimale de plusieurs dizaines de micromètres par seconde, affirment Medina-Sanchez et Schmidt.
Pour le moment, cela est difficile à réaliser, mais les scientifiques espèrent que les techniques optoacoustiques de pointe, combinant l'imagerie infrarouge et ultrasonore, pourront devenir assez bonnes pour suivre les microrobots dans quelques années.
Et puis la question demeure, que faire des robots à la fin de leur mission. Les laisser dériver à l'intérieur du corps, c'est permettre des caillots ou d'autres effets secondaires catastrophiques tels que l'empoisonnement aux métaux. Ramener les robots à leur point de départ (bouche, yeux et autres ouvertures naturelles) peut être accablant. Par conséquent, les scientifiques envisagent de meilleures options: éliminer les robots naturellement ou les créer à partir de matériaux biodégradables.
Ce dernier a un avantage distinct: si les matériaux sont sensibles à la chaleur, à l'acidité ou à d'autres facteurs corporels, ils pourraient être utilisés pour créer des biorobots autonomes fonctionnant sans batteries. Par exemple, les scientifiques ont déjà fabriqué de petites «pinces» en forme d'étoile qui se ferment autour des tissus lorsqu'ils sont exposés à la chaleur. Lorsqu'il est placé autour d'organes ou de tissus malades, le grappin peut effectuer une biopsie in situ, offrant une méthode moins invasive pour le dépistage du cancer du côlon ou le suivi d'une maladie inflammatoire chronique de l'intestin.
«L'objectif est de créer des microrobots capables de détecter, diagnostiquer et agir de manière autonome pendant que les humains regardent et restent sous contrôle en cas de dysfonctionnement», ont déclaré Medina-Sanchez et Schmidt.
Le fantastique voyage des micro-robots médicaux ne fait que commencer.
Toutes les combinaisons de matériaux, micro-organismes et microstructures devront être testées indéfiniment pour s'assurer qu'elles sont sûres, d'abord sur les animaux puis sur les humains. Les scientifiques attendent également l'aide des régulateurs.
Mais l'optimisme des scientifiques ne se tarit pas.
«Grâce à des initiatives coordonnées, les microrobots peuvent nous conduire dans l'ère des thérapies non invasives pendant dix ans», affirment les chercheurs.
ILYA KHEL
