Applications thérapeutiques des ultrasons focalisés de haute intensité à l’unité placentaire

Application of high intensity focused ultrasound applied to the placental unit

• Auteur / Autrice : Jonathan Caloone
• Direction : David Melodelima, Cyril Huissoud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie biomédicale et pharmaceutique
• Date : Soutenance le 05/12/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fédératif de Recherche LYON-EST
• Jury : Président / Présidente : Céline Chauleur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Melodelima, Cyril Huissoud, René-Charles Rudigoz, Frédérique Frouin, Sabine Roman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Quesson, Frédéric Patat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfusion foetofoetale

Reproductibilité (sciences)

Placenta accreta

Mots clés libres

Sonde torique

Modèle ex-vivo

Reproductibilité

Modèle in-vivo

Innocuité

Lésion placentaire

Syndrome transfuseur-transfusé

Placenta accreta

Toroidal transducer

Ex-vivo model

Reproducibility

In-vivo model

Harmlessness

Placental lesion

Twin-to-twin transfusion syndrome

Placenta accreta

Résumé

Objectifs : Développer un traitement HIFU (High-Intensity Focused Ultrasound) des anomalies placentaires au moyen d’un transducteur torique. Les essais ont été menés à partir d’un modèle ex-vivo, puis la faisabilité, l’efficacité et l’innocuité du traitement a été évaluée sur un modèle de guenons gestantes. Les premières applications thérapeutiques envisagées à l’échelle humaine, concernent le traitement du syndrome transfuseur-transfusé (STT) et les accrétions placentaires pour lesquelles un protocole d’essai clinique a été établi. Matériels et méthodes : Un transducteur torique fonctionnant à 3 MHz et muni d’une cellule d’imagerie échographique intégrée fonctionnant à 7,5 MHz ont été utilisés. Des simulations numériques de séquences de traitement HIFU ont été menées à partir d’une étude préliminaire sur la caractérisation acoustique du tissu placentaire humain. Ces séquences ont été testées au cours d’une étude ex-vivo sur des placentas humains. Deux modèles ex-vivo ont été conçus. Dans un premier temps, un modèle de traitement extracorporis. Dans un second temps, des traitements HIFU ont été réalisés à des distances variables du transducteur, par modification de la taille du ballonnet, afin de simuler un traitement per-césarienne. Le transducteur était placé au contact de la face foetale du placenta afin de simuler la séreuse utérine. A partir des résultats issus de ces essais ex-vivo, un protocole in-vivo sur des guenons gestantes a été mené afin de valider la faisabilité, l’efficacité et l’innocuité de la réalisation de lésions HIFU dans le placenta de guenons gestantes de manière totalement non-invasive. La qualité du monitoring échographique était évaluée au cours des trois études, et corrélée à l’analyse macroscopique. Une étude histologique a également été menée. Résultats : L’atténuation placentaire a été mesurée à partir de 12 échantillons placentaires humains pour un âge gestationnel compris entre 17 et 40 semaines d’aménorrhées (SA). L’atténuation augmentait en fonction de l’âge gestationnel et était compris entre 0,072 et 0,098 Np.cm-1.MHz-1. Lors d’un premier essai ex-vivo, 33 échantillons placentaires humains ont été inclus et soumis à une séquence HIFU, le temps d’insonification était de 55 secondes, la puissance acoustique utilisée était de 90 Watts. Au total, vingt-cinq lésions élémentaires étaient produites pour un diamètre et une profondeur moyens respectifs de 7,1 ± 3,2 et de 8,0 ± 3,1 millimètres. Huit lésions HIFU ont également été produites à partir de la juxtaposition de 6 tirs, pour un diamètre et une profondeur moyenne respectifs de 23,0 ± 5,0 et 11,0 ± 4,7 millimètres. Aucune lésion située en amont de la lésion produite n’a été observée pour une épaisseur de paroi abdominale similaire à celle d’une guenon gestante (10,8 ± 1,7 millimètres). Dans un second temps, 8 placentas humains pour un âge gestationnel compris entre 39 et 40 SA, ont été soumis à une séquence de traitement HIFU sans interposition de paroi abdominale. Le temps d’exposition était de 75 secondes pour une puissance acoustique de 90 Watts. Les lésions placentaires ont été produites à 2 (n=4), 6 (n=4), 7 (n=4) et 8 (n=7) millimètres de la surface du placenta. Au total, 19 lésions placentaires ont été produites, pour un diamètre et une profondeur moyenne respectifs de 14,6 ± 2,1 et de 14,1 ± 2,3 millimètres. Au cours de l’étude in-vivo, 8 guenons ont été incluses pour un âge gestationnel moyen de 72 ± 4 jours. Les puissances acoustiques utilisées étaient de 65, 80, 110 et 120 Watts pour un temps de traitement de 30, 15, 20 et 20 secondes respectivement. Au total 6 lésions placentaires ont été produites à l’issu de 13 insonifications pour des diamètres moyens de 6,4 ± 0,5 mm, 7,8 ± 0,7 mm et une profondeur moyenne de 3,8 ± 1,5 mm [etc…]

Objectives: To develop a High-intensity Focused Ultrasound (HIFU) treatment for placental abnormalities. Trials were first conducted using an ex-vivo model. Then the safety, feasibility and efficacy were demonstrated using a pregnant monkey model. The first therapeutic applications for human concern the treatment of the twin-to-twin transfusion syndrome (TTTS) and placenta accreta, for which, a clinical trial has already been established. Materials and Methods: A toroidal HIFU transducer, with an integrated ultrasound imaging probe was used. Numerical simulations have allowed identifying HIFU treatment parameters based on a preliminary experiment measuring the acoustic attenuation of human placentae. These HIFU parameters were tested during an ex-vivo study on human placentae. Two models were used. First, an extracorporis model of treatment was developed. Second, a percesarean model was developed. HIFU lesions were performed at different distances from the transducer, by adjusting the quantity of water between the transducer and tissues. The transducer was placed in contact with the fetal side of the placenta in order to simulate the uterine serosa. Using the results of these studies, an in-vivo study was conducted in a pregnant monkey model. The aim was to evaluate the feasibility, the efficacy and the harmlessness of the HIFU treatment applied to the placenta non invasively. The ultrasound monitoring was assessed during these three studies, and was correlated to the macroscopic examination. A histological study was also performed. Results: The placental attenuation was measured using 12 placental samples for a gestational age from 17 to 40 weeks of gestation (WG). The attenuation coefficient increased according to the gestational age, and was ranged from 0,072 to 0,098 Np.cm-1.MHz-1. During the first experimental ex-vivo study, 33 human placental samples were included and treated with HIFU. The treatment parameters were an exposure time of 55 seconds and an acoustic power of 90 Watts. Twenty-five HIFU singles lesions were created with an average diameter and depth of 7.1 ± 3.2 and 8.0 ± 3.1 millimeters, respectively. Eight HIFU lesions were also created by juxtaposing 6 single HIFU lesions. The average diameter and depth of these juxtaposed lesions were 23.0 ± 5.0 and 11.0 ± 4.7 millimeters, respectively. No secondary lesion was observed in overlying abdominal tissues. The thickness of these intervening tissues was similar to a pregnant monkey (10.8 ± 1.7 millimeters). In a second set of experiments, 8 human placentae for a gestational age ranging between 39 and 40 weeks were treated without intervening tissues. The time of exposure was 75 seconds and the acoustic power was 90 Watts. The placental lesions were created at 2 (n=4), 6 (n=4), 7 (n=4) and 8 (n=7) millimeters from the surface of the placenta. In total, 19 placental lesions were created with an average diameter and depth of 14.6 ± 2.1 and 14.1 ± 2.3 millimeters, respectively. Eight pregnant monkeys were included in the in-vivo experiments. The average gestational age was 72 ± 4 days. The placenta was treated non-invasively with acoustic powers of 65, 80, 110 and 120 Watts for a time of exposure of 30, 15, 20 and 20 seconds, respectively. In total, 6 placental lesions were created from 13 insonifications. The average diameters and depths of these lesions were 7.8 ± 0.7 and 3.8 ± 1.5 mm, respectively. No significant variation in maternal or fetal parameters was observed. All placental lesions appear hyperechoic in sonograms and well correlated with the macroscopic measurements. The ultrasound monitoring was better invivo when compared with ex-vivo results. The histological examination demonstrated a well delimited lesion of coagulation in all cases