La chirurgie de précision au laser réduit la propagation des crises d'épilepsie focales

Dans une salle d'attente très fréquentée d'un hôpital, les muscles d'un jeune homme ont commencé à se contracter dans un spasme dur et inflexible alors qu'un étudiant à l'action rapide se précipitait à son secours.

“Nous avons couru pour aider à stabiliser le patient. À ma grande surprise, sa mère nous a calmement rassurés sur le fait que ses crises étaient monnaie courante en raison de son épilepsie”, a déclaré Seth Lieberman, Ph.D. '21, DVM '24, qui était alors étudiant de premier cycle.

Lieberman sera plus tard témoin d'une deuxième crise – impliquant ironiquement un professeur donnant une conférence sur l'épilepsie – et de nombreuses crises canines alors qu'il travaillait à l'hôpital universitaire de Cornell pour les animaux en tant qu'étudiant diplômé à la Faculté de médecine vétérinaire. Ces expériences l’ont amené à en apprendre davantage sur la maladie et ont suscité une passion pour aider ceux qui en souffrent.

Aujourd'hui, Lieberman fait partie d'une équipe de recherche interdisciplinaire de Cornell qui a développé une nouvelle technique chirurgicale qui bloque la propagation des crises d'épilepsie focales dans le cerveau en pratiquant des incisions précises avec des impulsions laser femtoseconde. La nouvelle approche prometteuse, détaillée dans la revue Science avancéeoffre plusieurs avantages aux protocoles de traitement existants.

Options de traitement limitées

L'épilepsie, caractérisée par des convulsions chroniques dues à une activité cérébrale excitatrice incontrôlée, touche environ une personne sur 26 au cours de sa vie et constitue également le trouble neurologique le plus courant chez les chiens.

L'épilepsie focale, une sous-classe de la maladie, implique des crises provenant d'une région cérébrale localisée avant de se propager aux tissus environnants. Bien que les médicaments puissent traiter l'épilepsie dans de nombreux cas, environ 45 % des patients atteints d'épilepsie focale sont résistants ou deviennent résistants avec le temps. Pour ces personnes, le traitement implique souvent l’ablation chirurgicale de la partie épileptique du cerveau.

“Le problème est lorsque vous retirez une grande partie du cerveau; parfois, cette partie est fonctionnelle”, a déclaré le Dr Theodore Schwartz, professeur David et Ursel Barnes de neurochirurgie mini-invasive à Weill Cornell Medicine, co-auteur de l'étude.

Une alternative apparue ces dernières années, la thérapie thermique interstitielle au laser, utilise un laser pour chauffer la région cérébrale ciblée, tuant ainsi efficacement la source des crises mais tuant également toute fonction normale associée à cette région.

“Ce n'est vraiment utile que si vous avez une zone profonde du cerveau qui ne dépasse pas environ 2 ou 3 centimètres”, a déclaré Schwartz.

L'ablation ou la brûlure d'une région épileptique du cerveau comporte des risques de cécité, de perte nerveuse, de douleur chronique, d'accident vasculaire cérébral et de perte de mémoire, parmi de nombreux autres déficits neurologiques. C'est pourquoi Schwartz a commencé à rechercher une nouvelle solution, inspirée par une méthode chirurgicale inefficace établie il y a plus de 50 ans.

Moderniser une procédure « barbare »

Les progrès réalisés au XXe siècle dans la compréhension de l'épilepsie ont révélé que les crises focales débutent généralement dans une partie de la matière grise du cerveau et se propagent aux régions cérébrales adjacentes dans des couches spécifiques, perpendiculaires aux connexions importantes pour le fonctionnement normal du cerveau.

Ces connaissances ont conduit au développement de transections sous-piales multiples, une méthode chirurgicale publiée pour la première fois en 1973, qui vise à empêcher la propagation des crises en pratiquant de petites incisions dans le cortex, coupant ainsi efficacement le trajet des crises à travers le cerveau. Cependant, la technique a connu une adoption clinique limitée.

“C'était une opération très barbare qui consistait essentiellement à prendre un fil plié et à le gratter dans le cerveau”, a déclaré Schwartz. “Cela a causé beaucoup de traumatismes au cerveau et c'était une opération aveugle et incontrôlée.”

Mais le concept derrière l’opération – couper la propagation de la crise tout en laissant intacte autant de parties du cerveau que possible – avait ses mérites. L'idée de Schwartz était de moderniser la procédure en remplaçant le fil par un outil plus précis et guidé.

Après avoir étudié l'idée au préalable en tant que résident en neurochirurgie, Schwartz s'est ensuite tourné vers Chris Schaffer, professeur de génie biomédical et co-auteur de l'étude, qui développe des scalpels laser ultra-précis et des techniques d'imagerie dans son laboratoire. Les deux hommes se sont rencontrés lors d'une conférence à Cornell et ont commencé à discuter de la manière dont ils pourraient travailler ensemble.

“Nous avions l'idée que si nous pouvions construire le bon scalpel, nous pourrions revigorer cette idée des années 1970 et peut-être la construire de manière à ce qu'elle puisse se traduire dans la communauté neurochirurgicale”, a déclaré Schaffer. “C'est ce qui nous a poussé à essayer d'utiliser ce scalpel laser femtoseconde.”

Ingénierie et test d'un scalpel laser

Le laboratoire de Schaffer utilise des impulsions laser infrarouges étroitement focalisées, d'une durée femtoseconde, pour produire des coupes à l'intérieur d'un échantillon biologique sans affecter les tissus sus-jacents. Une femtoseconde équivaut à un quadrillionième de seconde. Cette technique est cruciale pour cibler la bonne couche corticale afin de stopper les crises tout en préservant les vaisseaux sanguins à la surface du cerveau.

Le système a été optimisé pour produire des coupures d’environ 55 microns d’épaisseur pouvant être placées jusqu’à 1 millimètre dans le cerveau, la profondeur nécessaire pour traiter des sujets non humains pour l’étude.

Quand est venu le temps de tester le laser, Schaffer a recruté l'un de ses doctorants de l'époque, Lieberman, qui, par hasard, avait rencontré Schwartz lorsque le chirurgien parlait au lycée de Lieberman dans le Connecticut plusieurs années auparavant.

“Le Dr Schwartz a inspiré mon intérêt initial pour les neurosciences et la neurochirurgie lors de ce cours au lycée”, a déclaré Lieberman. “Lorsque j'ai découvert qu'il était le neurochirurgien collaborateur de ce projet, la boucle a renforcé mon engagement.”

Le scalpel laser a été utilisé pour effectuer des interventions chirurgicales sur des souris épileptiques, qui ont ensuite été surveillées pendant 3 à 12 mois. Les résultats étaient « incroyablement prometteurs », selon Lieberman. La procédure a réduit de 87 % la fréquence des crises chez la plupart des sujets. Pour les quelques crises encore survenues, 95 % d’entre elles n’ont pas pu se propager au reste du cerveau.

Concernant les risques de la procédure, la chirurgie a provoqué une diminution modeste et transitoire du flux sanguin cortical. Cependant, lorsqu'elles ont été appliquées à la zone du cerveau contrôlant le mouvement, les découpes au laser n'ont pas entraîné de déficits significatifs dans les performances des tâches motrices des sujets, ce qui indique que la procédure n'a pas eu d'impact notable sur la structure ou la fonction cérébrale.

“Les résultats ont été meilleurs que ce que nous avions espéré”, a déclaré Schwartz. “Si l'on souhaitait créer un traitement contre l'épilepsie utilisant ces principes, je pense que nous avons montré que ce serait une méthode très efficace.”

Oeil sur le bloc opératoire

Une question restante est de savoir comment traduire cette approche en salle d’opération, où le laser devra atteindre des cerveaux beaucoup plus grands et plus complexes, comme ceux des chiens et des humains. Les chercheurs espèrent poursuivre une mise à niveau du scalpel laser qui augmenterait la pénétration de la lumière à de plus grandes profondeurs, traverserait les plis du cerveau sans endommager les tissus environnants et permettrait de mieux localiser le foyer de la crise.

“Il faudrait un mécanisme de rétroaction qui pourrait examiner le cerveau, voir où se trouvent les vaisseaux sanguins de surface et effectuer ses coupes de manière robotique sans les endommager”, a déclaré Schwartz. “Ce ne serait pas facile à faire, mais ce sont tous des problèmes d'ingénierie technique qui peuvent potentiellement être surmontés.”

Lieberman envisage l'application la plus immédiate pour la médecine vétérinaire et a déclaré que réduire la fréquence des crises chez les chiens, même de 50 %, serait considéré comme un résultat positif. En fin de compte, son objectif est de fournir un traitement aux chiens et aux humains.

“L'excitation que j'ai ressentie lorsque j'ai vu pour la première fois une crise localisée uniquement dans la zone ciblée de notre étude était indescriptible”, a déclaré Lieberman. “Cela m'a donné l'espoir que nous pourrions atténuer la peur et l'anxiété associées aux crises. Cela changerait la vie des patients, humains et animaux, et de leurs familles.”