Effets biologiques des ultrasons

Gérard Drobinski

Les ultrasons sont utilisés en médecine pour le diagnostic et la thérapeutique. Il n'a jamais été rapporté de façon probante un effet délétère biologique lors de l'utilisation diagnostique des ultrasons en médecine humaine. Pourtant des effets biologiques ont été mis en évidence à l'échelle moléculaire, cellulaire et chez certains animaux. Il paraît utile de faire ici une brève revue de ces effets. Les ultrasons à haute énergie sont utilisés chez l'homme pour le traitement des calculs des voies urinaires (lithotritie) mais aussi comme bistouri. L'effet principal des ultrasons pour ces deux techniques est la cavitation. Au cours de la lithotritie, il s'agit de la propagation d'une onde de choc qui vise à casser les calculs urinaires. Les ultrasons ont aussi été utilisés pour fragmenter les calcifications valvulaires lors de la chirurgie du rétrécissement aortique, avec une efficacité certaine, même si les résultats cliniques ont été plutôt décevants [1-6]. Dans d'autres circonstances, c'est l'effet thermique qui a été recherché, telles la diathermie ou la thérapie thermique comme traitement de certaines tumeurs. Les effets thermiques relèvent plutôt de la durée de l'exposition au faisceau ultrasonore, tandis que la cavitation est plus en rapport avec les pics positifs ou négatifs de pression acoustique.

Les ondes ultrasonores se propagent dans les tissus biologiques provoquant des effets mécaniques (modifications de pression, tension, contraintes de cisaillement, expansion, compression, vélocité et accélération dans les milieux traversés). Dans un milieu absorbant, l'énergie mécanique est convertie en chaleur, engendrant des effets thermiques. Dans un milieu aqueux, les ultrasons peuvent provoquer le phénomène de cavitation et l'apparition de microcourants locaux.

L'effet thermique est dû à la formation de gradients de vitesse et peut être estimé comme le produit de la viscosité du milieu et du carré du gradient de vitesse de l'onde ultrasonore. Les pertes d'énergie lors de la transmission sont d'autant plus perceptibles que la fréquence et la puissance d'émission sont élevées. Chaque tissu biologique a un coefficient d'absorption qui détermine la quantité de chaleur produite par l'onde ultrasonore. Une variation de 1,5 °C apparaît comme un écart maximum admissible, d'amplitude égale aux variations nycthémérales de température corporelle [7]. Dans les applications thérapeutiques, des élévations de température beaucoup plus fortes ont été enregistrées dans des conditions expérimentales [8] : ainsi en angioplastie ultrasonore, une élévation de température de l'ordre de 16 °C a été rapportée à la surface de l'extrémité sphérique, de rayon de 1 mm, d'un guide métallique transportant une onde ultrasonore de 20 kHz.

Les phénomènes de cavitation concernent l'interaction du faisceau ultrasonore avec le milieu liquide. Cette interaction conduit à une séparation des phases du milieu, à l'apparition d'ondes de pressions et à des élévations de température. Dans un milieu biologique comme le sang, il peut y avoir formation de radicaux libres entraînant des modifications chimiques [9, 10]. Les interactions entre bulles gazeuses et ondes ultrasonores sont différentes selon l'amplitude de la variation de pression :
pour de faibles amplitudes de variation de pression, le diamètre de la bulle de gaz varie de façon sinusoïdale en phase avec et proportionnellement à la pression (règne linéaire) [11]. Il existe une fréquence de résonance pour laquelle l'amplitude des vibrations de la bulle est maximale et qui, en l'absence de tension de surface, est inversement proportionnelle au rayon de la bulle. Ce phénomène est appelé cavitation stable : les bulles oscillent et peuvent entrer en résonance avec l'onde ultrasonore ;
à forte amplitude de variation de pression, la réponse de la bulle gazeuse devient non linéaire : c'est le phénomène de la cavitation transitoire [12]. Les bulles se contractent à grande vitesse en un petit volume avec survenue de collapsus brutaux après une expansion rapide. Le type des bulles dépend du milieu liquidien soumis aux variations de pressions. C'est lors de la phase de dépression au sein du liquide que la force de cohésion du liquide peut devenir insuffisante, avec déchirement du réseau liquide et formation de cavités dites bulles :
bulles vides si le milieu a été dégazé avant l'irradiation ultrasonore ;
bulles gazeuses, remplies d'un gaz dissous dans le milieu ;
bulles constituant la vapeur du liquide du milieu.

L'apparition de la cavitation dans un milieu dépend d'un grand nombre de paramètres : puissance et fréquence des ultrasons, température, présence d'impuretés, de gaz dissous, viscosité du milieu et pression qui y règne. La durée de vie des cavités est courte et uniquement déterminée par la fréquence ultrasonore. La cavitation diminue lorsque la fréquence augmente, et nécessitera pour apparaître une puissance d'autant plus grande que la fréquence est plus élevée.
Plusieurs phénomènes locaux peuvent être associés à la cavitation, tels les microcourants provoquées par les bulles oscillantes, l'effondrement des parois des bulles avec production de très fortes ondes de choc, et des élévations locales de température. D'autres phénomènes peuvent être présents, telles la résonance volumique des bulles de gaz, les forces de radiation associées aux bulles qui les font s'attirer par paires, provoquant leur coalescence. Les bulles oscillantes ont aussi un effet d'attraction sur d'autres particules et cellules, de telle sorte qu'elles sont attirées dans une région où elles peuvent être endommagées par les fortes contraintes de cisaillement [13, 14]. En outre, les bulles soumises à des pulsations peuvent engendrer des ondes de surface. Lorsque les amplitudes deviennent fortes, elles subissent des distorsions : elles deviennent asymétriques, des jets de liquides sont projetés dans la bulle et des microbulles d'air se forment dans le liquide. Les fortes températures engendrées peuvent provoquer la dissociation de l'eau en radicaux H* et *OH qui initient d'autres phénomènes physiques. La production de lumière, la formation d'ondes de choc et de microjets à grande vitesse peuvent aussi se produire.

On appelle pression de radiation l'augmentation de la pression stationnaire (moyenne dans le temps) produite par l'onde ultrasonore. Elle se définit aussi comme la valeur moyenne de la surpression qui s'exerce sur une tranche du milieu traversé. Dans un champ non uniforme, la pression de radiation crée des gradients de pression qui peuvent provoquer l'apparition de courants de fluides. En angioplastie ultrasonore, ces courants peuvent créer des forces élevées de cisaillement sur les éléments attirés à proximité de l'extrémité du guide entraînant leur lyse. Ainsi, dans un modèle expérimental, Hugues et Nyborg [15] ont montré qu'une émission de 85 kHz générée par un guide pouvait entraîner une hémolyse des érythrocytes.

L'American institute of ultrasound in medicine [16-18] a défini des paramètres pour mesurer intensité de l'exposition au faisceau ultrasonore dans l'espace et dans le temps. L'AIUM a précisé trois types d'intensité :
l'intensité Ispta est l'intensité de l'impulsion au point de focalisation du faiseau ultrasonore moyennée sur la durée d'une période (W/cm²) ;
l'intensité Isata représente l'énergie moyennée dans le temps (1 période) et sur toute la section du faisceau (watts) ;
l'intensité Isppa est l'intensité moyennée seulement sur la durée de l'impulsion (W/cm²).

Un indice mécanique a été formulé pour évaluer le seuil de cavitation et un indice thermique pour évaluer le risque d'une élévation de température. Ces indices peuvent être différents pour un même appareil selon les milieux biologiques :
l'indice (ou index) mécanique MI a été défini comme la pression de raréfaction maximum corrigée divisée par la racine carrée de la fréquence. Bien que l'environnement tissulaire ne soit pas pris en compte dans cette formulation, le MI peut être considéré comme un indice prédictif des effets de cavitation causés dans les tissus par les bulles ;
l'indice (ou index) thermique TI est le rapport de l'énergie acoustique moyenne dans le temps de la source et de l'énergie acoustique nécessaire pour élever la température du milieu de 1 °C, qui dépend de la fréquence et du degré d'absorption du milieu traversé. Différents calculs sont utilisés pour estimer la valeur de cet indice au niveau des tissus mous ou de l'os.

La norme 510 K de la FDA limite l'intensité Ispta aux valeurs suivantes en mW/cm² [19] :
en doppler pulsé : 100 pour l'exploration du fœtus, 450 pour l'examen du cœur et des vaisseaux périphériques (720 pour le doppler continu), 800 pour le doppler transcrânien en transosseux avec réduction de 90 % en transorbitaire et en transfontanellaire ;
en imagerie (mode B) : 50, diminuée à 30 lors d'un examen transvaginal.

À ces normes devraient s'ajouter les conseils suivants : choix de l'intensité minimale nécessaire, limitation du temps d'exposition, contrôle technique des appareils et meilleure formation des utilisateurs.

Les ultrasons fragmentent mécaniquement l'ADN en solution. Ce phénomène augmente avec le poids moléculaire. Les deux mécanismes responsables sont la cavitation avec libération de radicaux libres de l'oxygène et l'effet de la contrainte mécanique de cisaillement qui pourrait fragmenter la molécule et entraîner une dépolymérisation. Les effets des ultrasons sur l'ADN ont été observés sur des préparations d'ADN en solution, et ils ne l'ont jamais été sur l'ADN au sein de cellules viables. L'explication serait que les protéines de structure de la cellule protègent mécaniquement le noyau des forces mécaniques, tandis que les radicaux libres ont une durée de vie trop brève pour migrer vers l'espace intracellulaire.

Les ultrasons pourraient agir sur le polymère d'actine, plus fragile que la myosine dans le complexe d'actine-myosine de l'appareil contractile. Une émission ultrasonore de 20 kHz est une technique de laboratoire pour fragmenter de façon réversible les filaments d'actine. Cette technique de « sonification » est utilisée par des biologistes cellulaires ; l'énergie nécessaire pour rompre les liaisons d'actine-actine est plus faible que celle qui est nécessaire pour altérer les membranes cellulaires. En outre, les filaments d'actine brisés par sonification peuvent se recomposer en filaments fonctionnels, après une brève période de récupération. En revanche, les liaisons d'actine-myosine sont beaucoup plus solides et difficiles à défaire.

La cavitation acoustique peut entraîner des lyses cellulaires. De plus, il a été montré la possibilité de lésions au niveau des organelles intracellulaires, avec altération des mitochondries, des lysosomes, de la membrane nucléaire. Ces lésions ont été recherchées au niveau d'organes particuliers dans le but de savoir si les ultrasons utilisés pour le diagnostic chez l'embryon humain lors des examens échographiques au cours de la grossesse pouvaient représenter un danger. Les études ont été faites sur des vertébrés, essentiellement des souris gestantes ou sur des insectes. On a étudié le système nerveux, la membrane péritonéale, le foie et les yeux, les gonades, l'os, le sang, avec des préparations comportant des densités cellulaires relativement faibles par rapport aux conditions in vivo. Or, l'augmentation de la densité cellulaire a un effet protecteur contre les effets délétères des ultrasons. Il n'a pas été mis en évidence d'effets biologiques dans les systèmes mammifères à des niveaux d'intensité Ispta inférieurs à 100 mW/cm². Enfin, aucune aberration chromosomique n'a été induite par les ultrasons [21].

La cavitation et ses effets dérivés peuvent être responsables d'effets biologiques hématologiques in vitro : il faut des intensités ultrasonores élevées pour altérer la structure et la fonction des érythrocytes et des leucocytes. On a pu observer des dégranulations et des agrégations plaquettaires mais, là encore, les densités cellulaires expérimentales étaient faibles et la signification clinique des observations publiées reste incertaine. Des hémorragies pulmonaires après sonification de poumons de souris ont été rapportées en 1990 par Child et Cartensen [22]. Les mesures de température au niveau de la plèvre n'ont pas montré de particularité par rapport aux autres tissus, les poumons ayant la capacité de dissiper la température. En revanche, il existait une corrélation entre les pics de pression acoustique et la survenue des hémorragies pulmonaires, suggérant que la cavitation était le mécanisme responsable de cet effet des ultrasons. Des hémorragies pulmonaires ont été provoquées avec des sonifications pulmonaires de fréquence 30 kHz chez la souris et le lapin. À cette fréquence, d'intérêt majeure puisque proche de celle de l'angioplastie ultrasonore, des hémorragies pulmonaires mineures ont pu être observées chez le singe. Les différences de réaction sont importantes dans les diverses races animales, la souris et le singe étant très sensibles à l'émission ultrasonore, au contraire du porc. Même si nous savons que le poumon humain se rapproche plutôt du poumon de porc, ces observations justifient une certaine prudence pour certaines applications potentielles de l'angioplastie ultrasonore, en particulier lors des embolies pulmonaires.

Une étude expérimentale sur l'aorte thoracique de lapin a montré que l'énergie ultrasonore entraînait une vasodilatation par relaxation des cellules musculaires lisses indépendante de l'état de l'endothélium et du mécanisme de la vasoconstriction, qui était provoquée par l'administration soit de phényléphrine (médiée par un récepteur) soit de KCl à 60 mmol (vasoconstriction voltagedépendante). Cet effet de vasorelaxation a également été observé in vivo chez le chien et lors des applications cliniques de l'angioplastie ultrasonore.

Il est intéressant de signaler qu'à côté des applications industrielles des ultrasons (usinage, nettoyage), les chimistes utilisent également les ultrasons avec des émissions de fréquence de 20 à 100 kHz pour modifier les réactions chimiques [24]. Dans un milieu homogène, la cavitation génère des forces de cisaillement élevées, qui entraînent la dégradation des polymères et la fission temporaire des forces intermoléculaires. Les pressions développées peuvent aussi induire la cristallisation de solutions saturées et de métaux en voie de solidification. La fission des liaisons chimiques peut entraîner la formation de radicaux peroxyde de l'oxygène, entraîner également une diminution temporaire du liquide exposé aux ultrasons, ou détruire la structure du solvant dans une solution (réaction de solvolyse). Les ultrasons sont utilisés pour accélérer l'hydrolyse acide lors du processus de fermentation des polysaccharides permettant la dégradation des polymères pour obtenir la réduction de la masse molaire du dextran à usage médical. Dans des milieux hétérogènes, les ultrasons sont utilisés pour initier et accélérer les réactions organo-métalliques, pour augmenter l'activité catalysatrice de certains métaux ou pour générer des émulsions au niveau d'interfaces interliquidiennes.

Il a été montré dès 1975 que l'énergie ultrasonore pouvait dissoudre des thrombus artériels et veineux [25]. Depuis, des systèmes d'angioplastie ultrasonore ont été développés consistant en un générateur ultrasonore, un convertisseur piézo-électrique et une sonotrode à laquelle est connecté un guide généralement en titane. Ce système électro-acoustique constitue une ligne sonore accordée dont l'émission ultrasonore peut être continue ou pulsée, fixe ou accordée. Les données expérimentales montrent que la cavitation est le mécanisme principal expliquant les effets de l'angioplastie ultrasonore : en particuler, on a pu montrer l'apparition de microbulles correspondant au phénomène de cavitation en activant une émission ultrasonore au niveau d'un guide plongé dans un milieu liquide examiné par imagerie ultrasonore [26]. Enfin, des lésions thermiques n'ont jamais été montrées histologiquement après angioplastie ultrasonore expérimentale. Des études comparatives des effets des ultrasons émis à 20 kHz sur les caillots in vitro traités ou non par la streptokinase ont montré que l'effet des ultrasons ne passait pas par la mise en jeu du système fibrino-lytique : les temps de dissolution des caillots traités ou non traités par la streptokinase étaient similaires, montrant que la dissolution ultrasonore in vitro n'est pas accélérée par l'association à une thérapeutique fibrinolytique [27].
L'angioplastie ultrasonore a permis, lors d'études de faisabilité, une recanalisation des occlusions complètes et une réduction des sténoses sévères au niveau fémoro-poplité, avec une sténose résiduelle ayant le diamètre de l'extrémité distale du cathéter transportant l'énergie ultrasonore, et nécessitant donc une angioplastie complémentaire par ballonnet, ce qui explique le faible développement de cette technique [28]. L'angioplastie ultrasonore a également été utilisée au niveau coronaire [29] ; elle apparaît particulièrement indiquée pour désobstruer l'occlusion coronaire à la phase aiguë de l'infarctus du myocarde, circonstance où la thrombose est le mécanisme principal, secondaire à une fissure ou une érosion de plaque. Dans un travail mexicain, la recanalisation a été obtenue pour 3 patients sur 4 en une dizaine de secondes [30]. Deux études multicentriques ont été conduites en Europe dans les sténoses athéromateuses (étude CRUSADE) et les occlusions coronaires de l'infarctus myocardique aigu (étude ACUTE, 15 patients, 13 succès) [31-33]. Le développement des endoprothèses coronaires et l'utilisation des nouveaux médicaments antiplaquettaires anti GPIIbIIIa ont résolu à leur façon le problème du thrombus coronaire, et d'une certaine façon ont rendu obsolète l'angioplastie ultrasonore avant qu'elle ait pu faire ses preuves. En revanche, l'utilisation des ultrasons par voie transcutanée, en particulier en association avec les agents de contraste ultrasonore, va peut-être se développer comme traitement des tromboses de vaisseaux périphériques superficiels. Les données actuelles sont uniquement expérimentales.

Les ultrasons sont obtenus à partir de systèmes utilisés en physiothérapie, avec des fréquences d'émission variant entre 1 000 et 26 kHz. La cible est située à une profondeur variable, de 1,2 à 6 cm.
Des essais in vivo ont aussi été réalisés sur le lapin (modèle de thrombose veineuse jugulaire ou modèle de thrombose artérielle fémorale) [34, 35]. Les résultats sont toujours similaires : les ultrasons seuls sont inefficaces, les thrombolytiques (streptokinase, urokinase, rt-PA) ont leurs effets potentialisés par l'émission ultrasonore, de telle façon que la fibrinolyse est plus rapide et nécessite des doses moins élevées de médicaments, ce qui pourrait permettre de minimiser le risque hémorragique de ces médicaments. Dans le modèle artériel de Luo, l'effet des ultrasons à 26 kHz et 18 W/m² associés à une thrombolyse par streptokinase est apprécié par le grade de reperfusion après occlusion totale, l'artère ilio-fémorale contro-latérale également occluse servant de contrôle : une reperméation était obtenue dans 7 % des artères exposées uniquement aux ultrasons, 6 % des artères traitées uniquement par thrombolyse chimique et 59 % des artères traitées à la fois par ultrasons et streptokinase [35].
Parmi les nombreux mécanismes d'action des ultrasons, on peut discuter dans ces expériences les effets de l'élévation de chaleur, des microcourants et de la cavitation. L'élévation de température apparaît comme un mécanisme marginal, responsable d'une augmentation de 1,1 % de la fibrinolyse par rt-PA pour 1 °C. Dans l'étude de Harpaz, l'élévation de température est de 4,5 °C, et ne pourrait rendre compte que d'un accroissement de la fibrinolyse de 5 % au lieu des 250 % observés [36]. Il est probable que, pour une émission à relativement haute fréquence (1 MHz) et faible intensité, la formation de microcourants joue un rôle important en facilitant la disponibilité du médicament au niveau de zones de gradients de vitesse à la surface des thrombus. Pour des intensités plus élevées, la cavitation peut apparaître, permettant la rupture des ponts de fibrine, la fragmentation des thrombus et la meilleure circulation des médicaments dans le thrombus.
Le seuil de cavitation peut être abaissé par l'utilisation de contraste ultrasonore, comme dans l'expérience in vitro de Tachibana où l'administration d'albumine humaine « insonisée » à une émission ultrasonore de 170 kHz à 0,5 W/m² et à de l'urokinase augmente la lyse du thrombus qui passe de 58,4 % (contrôle = ultrasons + urokinase + albumine) à 71,5 % lorsque l'albumine est remplacée par de l'albumine humaine « insonisée » (microsphères d'albumine servant d'agent de contraste ultrasonore) [37]. L'intérêt des agents de contraste a été montré in vivo dans un travail de Birbaum [38]. Chez 10 lapins, une occlusion fémorale bilatérale a été réalisée et des microsphères d'albumine ont été administrées par voie veineuse. Chez chaque lapin, une des deux artères fémorales occluses a été soumise à une émission ultrasonore pulsée de 37 kHz à travers la peau. L'autre artère fémorale servait de témoin des effets de l'administration intraveineuse de microsphères d'albumine. Enfin 5 artères fémorales occluses chez 3 autres lapins étaient uniquement soumises à l'émission d'ultrasons. Toutes les artères traitées par ultrasons et microsphères d'albumine furent recanalisées dans un délai inférieur à 60 minutes, alors qu'il n'y a eu aucune recanalisation des autres vaisseaux soumis aux microsphères d'albumine seules ou aux ultrasons seuls dans ce délai de 60 minutes. Dans le groupe soumis aux microsphères d'albumine, seules 3 occlusions sur 10 furent recanalisées après 1 heure et l'administration d'héparine. Dans aucun des 3 groupes, il n'y a eu d'élévation des D-dimères.

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