Son et lumière dans la rétine : les promesses d’un nouvel implant photo-acoustique

Les maladies dégénératives de la rétine sont parmi les principales causes de perte de vision dans le monde. Elles se traduisent par une diminution graduelle de la vision menant à un handicap visuel sévère, voire à la cécité. Cette dégradation de la vision est principalement due à la dégénérescence progressive des cellules sensibles à la lumière : les photorécepteurs.

Les photorécepteurs sont la porte d’entrée de l’information visuelle. Cette dernière est traitée par la rétine grâce à différentes couches de cellules nerveuses sensorielles : une première couche de cellules photoréceptrices détecte et traduit l’information lumineuse en signaux électro-chimiques. Les signaux sont ensuite transmis, via plusieurs couches de cellules, aux cellules dites ganglionnaires qui communiquent les influx nerveux au cerveau par le nerf optique. Les maladies dégénératives dégradent généralement la première couche, laissant intact le reste des cellules rétiniennes. À ce jour, ces dégénérescences ne disposent pas de traitement curatif. Pour contourner la perte des photodétecteurs, des micro-technologies ont vu le jour, notamment des implants sous-rétiniens comme l’implant photovoltaïque PRIMA qui transforme une information lumineuse en signaux électriques communiqués au cerveau.

C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux d’Audrey Leong et de Thijs Ruikes, doctorante et postdoctorant, à l’Institut de la Vision dans l’équipe de Serge Picaud. En collaboration avec l’équipe de Chen Yang de l’université de Boston et la société française Axorus, les jeunes chercheurs montrent qu’il est également possible de rétablir la circulation de l’information visuelle en stimulant mécaniquement les cellules restantes. Grâce à un implant photo-acoustique sous-rétinien, ils ont réussi à observer in-vivo l’activation du système visuel dans le cerveau de rongeurs dont les photorécepteurs étaient défectueux.

Un implant sous-rétinien ultrasonore 

Dans ces travaux, les chercheurs s’intéressent à la mécanosensibilité active des cellules intactes, c’est-à-dire à leur capacité à transformer une contrainte mécanique appliquée par une onde ultrasonore, en un signal biochimique ou électrique. 

Pour venir stimuler mécaniquement des objets aussi petits que les cellules nerveuses, ils ont conçu un transducteur « photo-acoustique » : un film multicouche, qui en absorbant un signal lumineux, chauffe localement et se dilate. La dilatation génère une onde acoustique qui vient stimuler les cellules rétiniennes. Grâce à ce dispositif, une impulsion lumineuse infrarouge ultrabrève (de quelques milliardièmes de seconde) est ainsi convertie en une onde acoustique de très haute fréquence (de l’ordre de la dizaine de mégahertz). L’implant élaboré ressemble à une membrane flexible, pas plus épaisse qu’un cinquième de millimètre, soit l’épaisseur de deux cheveux. En disposant la structure au contact de la rétine, les chercheurs ont observé une activité des cellules ganglionnaires localisées au niveau de l’implant et centrées sur la zone illuminée. 

Une promesse de restauration large et de haute résolution spatiale

En plus d’avoir fait ses preuves en laboratoire et sur modèle expérimental, le système développé à l’Institut de la Vision se distingue par ses promesses de haute résolution spatiale. Pour restaurer de façon significative la vision humaine, l’implant devrait émettre avec une résolution spatiale inférieure à 0,02 mm et répartir uniformément plusieurs milliers de points de stimulations sur l’ensemble d’une surface de 25 mm² (celle d’une macula humaine). Jusqu’à maintenant aucun des implants développés ne répondait de façon satisfaisante à ces deux critères. Par exemple, l’implant photovoltaïque PRIMA, actuellement en essai clinique, bien qu’efficace, est limité par la taille des microcellules photovoltaïques et ne peut atteindre une résolution spatiale inférieure à 0,1 mm. L’implant photo-acoustique, qui est un milieu continu, ne connait comme limitation spatiale que la surface illuminée, engendrant des ultrasons focalisés de largeur comparable au diamètre de cette surface. Dans l’étude, le point de stimulation peut atteindre 0,05 mm de diamètre, ce qui permet déjà d’atteindre une résolution deux fois plus petite que celle obtenue avec PRIMA. La diminution de la surface éclairée dans des études ultérieures rapprocherait la résolution spatiale de la valeur optimale de 0,02 mm. De plus, contrairement à PRIMA qui repose sur un implant rigide doté d’unités photovoltaïques contiguës, le film photo-acoustique à l’avantage d’être flexible et continu. Il pourrait donc, en théorie, couvrir une surface plus grande que celle de PRIMA (actuellement de 4 mm²), tout en offrant une résolution spatiale plus fine. 

Une preuve de concept précurseur 

La validation de ce dispositif sous-rétinien, développé par l’équipe de Chen Yang à l’université de Boston et par la société française Axorus, s’inscrit dans une recherche innovante à l’Institut de la Vision autour de restauration de la vision, qui a notamment abouti à l’implant PRIMA. Par cette preuve de concept, les chercheurs ouvrent la voie à une possible utilisation d’implants photo-acoustiques pour restaurer la vision de patients atteints de maladies rétiniennes dégénératives comme la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) ou encore la rétinopathie pigmentaire. Au-delà de l’application clinique, l’utilisation d’ultrasons soulève de nouvelles questions fondamentales, par exemple : quels sont les phénomènes cellulaires mis en jeu lors des stimulations mécaniques ? De nouveaux défis expérimentaux voient également le jour pour augmenter la production d’une image par un laser ponctuel. Pour finir, bien que l’implant réponde à toutes les normes de sécurité biologiques, des études restent à mener pour évaluer l’impact à long terme de la stimulation mécanique sur la rétine. 

Ces travaux illustrent l’expertise de l’Institut de la Vision dans le développement de technologies de rupture au croisement de la neuroscience, de la physique et de l’ingénierie biomédicale. Contrairement aux implants existants qui reposent sur des courants électriques, cette approche utilise des ondes acoustiques, ouvrant une voie totalement nouvelle pour stimuler la rétine et, à terme, restaurer plus finement la vision sur une plus grande zone de la rétine.