L’équipe de Chen a utilisé des ultrasons pour induire en toute sécurité et de manière non invasive un état de torpeur chez des souris et des rats
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Certains mammifères et oiseaux ont un moyen astucieux de conserver l’énergie et la chaleur en entrant dans la torpeur, au cours de laquelle leur température corporelle et leur taux métabolique chutent pour leur permettre de survivre à des conditions potentiellement mortelles dans l’environnement, comme le froid extrême ou le manque de nourriture. Alors qu’une condition similaire a été proposée pour les scientifiques effectuant des vols dans l’espace dans les années 1960 ou pour les patients souffrant de problèmes de santé potentiellement mortels, induire en toute sécurité un tel état reste insaisissable.
Hong Chen, professeur agrégé à l’Université de Washington à Saint-Louis, et une équipe multidisciplinaire ont induit un état de torpeur chez la souris en utilisant des ultrasons pour stimuler la zone préoptique de l’hypothalamus dans le cerveau, ce qui aide à réguler la température corporelle et le métabolisme. En plus de la souris, qui entre naturellement en torpeur, Chen et son équipe ont provoqué la torpeur chez un rat, ce qui n’est pas le cas. Leurs conclusions, publiées le 25 mai 2023, dans Métabolisme naturel, montrent la première méthode non invasive et sûre pour induire un état semblable à la torpeur en ciblant le système nerveux central.
Chen, professeure agrégée de génie biomédical à la McKelvey School of Engineering et de radio-oncologie à la School of Medicine, et son équipe, dont Yaoheng (Mack) Yang, associée de recherche postdoctorale, ont créé un transducteur à ultrasons portable pour stimuler les neurones du aire préoptique de l’hypothalamus. Lorsqu’elles ont été stimulées, les souris ont montré une baisse de la température corporelle d’environ 3 degrés Celsius pendant environ une heure. De plus, le métabolisme des souris a montré un changement de l’utilisation des glucides et des graisses pour l’énergie à la seule graisse, une caractéristique clé de la torpeur, et leur fréquence cardiaque a chuté d’environ 47 %, tout en étant à température ambiante.
L’équipe a également constaté qu’à mesure que la pression acoustique et la durée de l’échographie augmentaient, la profondeur de la température corporelle inférieure et le ralentissement du métabolisme, connus sous le nom d’hypothermie et d’hypométabolisme induits par les ultrasons (UIH), augmentaient également.
“Nous avons développé un contrôleur de rétroaction automatique en boucle fermée pour obtenir une hypothermie et un hypométabolisme induits par les ultrasons stables et de longue durée en contrôlant la sortie des ultrasons”, a déclaré Chen. “Le contrôleur de rétroaction en boucle fermée a réglé la température corporelle souhaitée à moins de 34 C, ce qui était précédemment signalé comme critique pour la torpeur naturelle chez la souris. Cette UIH contrôlée par rétroaction a maintenu la température corporelle de la souris à 32,95 C pendant environ 24 heures et a récupéré température normale après l’arrêt des ultrasons.”
Pour savoir comment l’hypothermie et l’hypométabolisme induits par les ultrasons sont activés, l’équipe a étudié la dynamique de l’activité des neurones de la zone préoptique de l’hypothalamus en réponse aux ultrasons. Ils ont observé une augmentation constante de l’activité neuronale en réponse à chaque impulsion ultrasonore, qui correspondait aux changements de température corporelle chez les souris.
“Ces résultats ont révélé que l’UIH était évoquée par l’activation par ultrasons des neurones de la zone préoptique de l’hypothalamus”, a déclaré Yang. “Notre découverte selon laquelle la stimulation transcrânienne de la zone préoptique de l’hypothalamus était suffisante pour induire l’UIH a révélé le rôle critique de cette zone dans l’orchestration d’un état de torpeur chez la souris.”
Chen et son équipe ont également voulu trouver la molécule qui permettait à ces neurones de s’activer avec les ultrasons. Grâce au séquençage génétique, ils ont découvert que les ultrasons activaient le canal ionique TRPM2 dans les neurones de la zone préoptique de l’hypothalamus. Dans une variété d’expériences, ils ont montré que TRPM2 est un canal ionique sensible aux ultrasons et a contribué à l’induction de l’UIH.
Chez le rat, qui n’entre pas naturellement en torpeur ou en hibernation, l’équipe a délivré des ultrasons dans la zone préoptique de l’hypothalamus et a constaté une diminution de la température de la peau, en particulier dans la région du tissu adipeux brun, ainsi qu’une baisse d’environ 1 °C du cœur. température corporelle, ressemblant à une torpeur naturelle.
Cette équipe multidisciplinaire est composée de Jonathan R. Brestoff, MD, PhD, professeur adjoint de pathologie et d’immunologie à l’École de médecine ; Alexxai V. Kravitz, professeur agrégé de psychiatrie, d’anesthésiologie et de neurosciences à l’École de médecine, et Jianmin Cui, professeur de génie biomédical à la McKelvey School of Engineering, tous à l’Université de Washington à St. Louis. L’équipe comprend également Michael R. Bruchas, professeur d’anesthésiologie et de pharmacologie à l’Université de Washington.
“L’UIH a le potentiel d’atteindre l’objectif longtemps recherché de parvenir à une induction non invasive et sûre de l’état de torpeur, qui est poursuivie par la communauté scientifique au moins depuis les années 1960”, a déclaré Chen. “La stimulation par ultrasons possède une capacité unique à atteindre de manière non invasive les régions cérébrales profondes avec une précision spatiale et temporelle élevée dans les cerveaux animaux et humains.”
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health (R01MH116981, UG3MH126861, R01EB027223 et R01EB030102). JRB est soutenu par le NIH (DP5 OD028125) et le Burroughs Wellcome Fund (CAMS #1019648).
