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Les chercheurs évaluent les dégâts provoqués par des microboules dans les lésions cérébrales

Dites qu'il y a une crise de panne sur une base militaire. Quelques uns des soldats subissent des commotions et d'autres lésions cérébrales. Est-ce que certaines des blessures pourraient être provoquées par les bulles minuscules qui forment et s'effondrent dans le crâne pendant la blessure à la tête ?

Les chercheurs à l'université de l'Etat d'Iowa, avec le soutien des concessions du bureau de la recherche navale, emploient leurs compétences avec la fabrication des microstructures pour étudier et décrire les dégâts aux cellules du cerveau provoquées par la formation et l'effondrement des microboules - un procédé connu sous le nom de cavitation.

Les chercheurs enregistrent leurs découvertes dans un papier décrit sur le panneau de la question de juillet 2020 des défis globaux de tourillon de recherches. Les auteurs importants sont Nicole Hashemi, un professeur agrégé de condition de l'Iowa de l'industrie mécanique, et Alex Wrede, un ancien étudiant au doctorat et associé post-doctoral de recherches dans le laboratoire de Hashemi. (Voir la barre latérale pour les autres co-auteurs.)

Les chercheurs écrivent que les microboules mesurées en microns - qui est des millionths d'un mètre - peuvent former en liquide céphalorachidien à l'intérieur du crâne pendant les lésions cérébrales traumatiques.

Les chercheurs ont écrit la « formation et l'effondrement spectaculaire » de ces microboules pourrait être responsable de certains des dégâts dans une lésion cérébrale.

Les dégâts de bulle peuvent sembler insignifiants. Mais l'effondrement de bulle, et les ondes chocs donnantes droit, sont connus pour endommager les fondations en acier des propulseurs de bateau. Les chercheurs enregistrent que les études antérieures indiquent que l'extension et l'effondrement des microboules produit des forces de 0,1 à 20 megapascals, ou 14,5 à 2.900 livres par pouce carré.

« … Ainsi il est alarmant pour réaliser les dégâts que la cavitation inflige sur le tissu cérébral vulnérable, » les chercheurs a écrit.

Recherche des changements des cellules du cerveau

Pour vérifier et caractériser le choc de la cavitation à l'intérieur du crâne, les chercheurs ont simulé un cerveau en produisant une plate-forme de la culture cellulaire 3D pour les cellules astrocytic (les cellules en forme d'étoile dans le cerveau et la moelle épinière qui sont en activité dans le support, mettant à jour et réparant le système nerveux central). Ils ont submergé la plate-forme de culture cellulaire dans un petit bidon et ont produit des microboules autour de 60 millionths d'un mètre dans la taille. Certaines des microboules ont adhéré à l'échafaudage riche en cellule de microfiber.

Les chercheurs ont mis en marche un dispositif ultrasonique dans le bidon, s'effondrant les microboules et produisant la cavitation. (Ils ont également utilisé le dispositif ultrasonique sur un groupe témoin de cellules qui n'ont pas été exposées à la cavitation.)

Les chercheurs ont recherché deux genres d'effets :

D'abord, ils ont utilisé un microscope inversé pour enregistrer toutes les modifications morphologiques aux cellules. En second lieu, ils ont travaillé avec des collègues dans l'université de condition de l'Iowa de la médecine vétérinaire pour évaluer s'il y avait des altérations génétiques dans les cellules.

Les chercheurs ont trouvé que la cavitation a fait rétrécir les cellules et a rendu leurs surfaces rudes. Les cellules ont semblé prolonger et se développer quand des images ont été prises 22 et 48 heures après cavitation. Néanmoins, les chercheurs ont trouvé la croissance des cellules après 48 heures en termes de surface - était environ la moitié autant que les cellules de contrôle.

Les chercheurs ont également trouvé que les cellules endommagées par cavitation avaient élevé l'expression des gènes tels que TNF-α et IL-6, qui sont associés aux états inflammatoires tels que l'infection avec le virus SARS-CoV-2 et les troubles neurologiques tels que Parkinson et maladies d'Alzheimer.

« Pris ensemble, ces résultats confirment que la cavitation environnante porte préjudice au fonctionnement astrocytic, » les chercheurs ont écrit.

Modèle de meilleurs casques

Hashemi a dit tandis que les médecins recherchent des demandes de règlement pour le dommage au cerveau provoqué par cavitation, il a dit que les techniciens peuvent travailler pour recenser les places dans le cerveau où il est le plus susceptible se produire cavitation.

« Une carte de site de cas de cavitation peut être directement employée pour concevoir un casque qui amortit la force et réduit la possibilité de cavitation, » les chercheurs a écrit.

Et tandis que cette étude se concentre sur les casques militaires, Hashemi a dit que les mêmes idées pourraient être appliquées aux casques pour le football et d'autres sports.

Cette recherche regarde des applications de champ de bataille, mais dans le football il y a les chocs assimilés et les ondes chocs. Les lecteurs obtiennent les formes douces de la lésion cérébrale traumatique. Les lecteurs ne pourraient pas la réaliser, mais les effets des blessures de cavitation seraient là. »

Nicole Hashemi, professeur agrégé de l'industrie mécanique, université de l'Etat d'Iowa

Wrede, l'ancien étudiant de troisième cycle de Hashemi qui travaille maintenant comme les systèmes dynamiques modélisant le technicien pour John Deere en Dubuque, ont indiqué le projet l'a enseigné qu'il y a le grand besoin pour plus de recherche et développement.

« Les gens qui ont servi notre pays et reviennent avec des blessures comptent réellement sur la recherche pour trouver des réponses, » il a dit. Les « réponses ont pu améliorer la qualité de vie pour nos vétérans et tout le monde assez fâcheux pour passer par la lésion cérébrale traumatique. »

Source:
Journal reference:

Wrede, A.H., et al. (2020) Characterization of Astrocytic Response after Experiencing Cavitation In Vitro. Global Challenges. doi.org/10.1002/gch2.201900014.