Comment tester les médicaments sur micro-puces?

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Les industries pharmaceutiques cherchent continuellement à mettre au point de nouveaux médicaments, plus sûrs et plus efficaces, tout en accélérant leurs processus de développement et en diminuant leurs coûts. Aujourd'hui, l'étape indispensable des tests sur les animaux est très longue et très coûteuse pour les entreprises pharmaceutiques et soulève de nombreux problèmes éthiques. Aussi, les principales compagnies pharmaceutiques développent de nouvelles technologies capables de prédire l'efficacité et la toxicité de nouveaux traitements chez l'homme de manière rapide et fiable [1]. Les agences gouvernementales américaines telles que le NIH (National Institute of Health), la FDA (Food and Drug Administration) ou encore la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) favorisent la mise au point de ces technologies.

Deux approches sont actuellement étudiées. La première consiste à cultiver des cellules humaines en 3-dimensions sur une matrice extracellulaire afin de conserver les fonctions spécifiques des tissus [2]. La deuxième développe des simili d'organes sur des micro-dispositifs appelés 'micro-puces'. Cette technologie associe des méthodes d'ingénierie et de culture cellulaire afin de reproduire les microenvironnements, y compris mécaniques, d'un organe vivant. A ce jour, de nombreux organes ont déjà été reproduit sur des micro-puces : os, foie, cerveau, coeur, estomac, ou encore rein [3]. Nous allons nous intéresser ici à un modèle de poumon sur micro-puce qui est aujourd'hui capable de mimer une maladie humaine, un oedème pulmonaire, et permet l'évaluation de nouveaux médicaments.

Un poumon sur micro-puce
En 2010, l'équipe de Donald E. Ingber a publié dans le magazine Science la mise au point d'un poumon sur micro-puce [4]. Dans cette puce, deux canaux étroits sont apposés l'un contre l'autre et séparés par une membrane fine (10micro-m), poreuse et flexible. Cette membrane est recouverte de matrice extracellulaire afin d'y cultiver d'un côté, des cellules humaines pulmonaires et de l'autre, des cellules humaines de vaisseaux sanguins. Une fois les cellules à confluence, de l'air est introduit dans le canal du côté des cellules pulmonaires alors qu'un liquide semblable au sang (contenant notamment des globules blancs) circule dans l'autre canal. Une interface air/liquide est ainsi reproduite, similaire à celle présente dans les poumons. Afin de parfaire la ressemblance avec le poumon humain dans lequel les fluides et gaz sont en perpétuel mouvement, deux chambres sont placées de chaque côté des canaux afin de reproduire les mouvements dus à la respiration, en y faisant des appels d'air réguliers.

Un poumon sur micro-puceCrédits : wyssinstitute

Un oedème pulmonaire sur micro-puce
Après avoir travaillé 2 ans sur ce modèle, cette équipe vient de publier un nouvel article dans le journal Science Translationnal Medicine, montrant la possibilité de mimer un oedème pulmonaire dans ce système [5].

Les oedèmes pulmonaires ont de nombreuses origines chez l'homme, et font notamment suite à des traitements avec l'interleukine-2 (IL-2) utilisés contres les mélanomes malins et les cancers du rein métastatiques. Dans ces conditions, l'IL-2 peut entraîner une inflammation micro-vasculaire et des lésions, conduisant à l'épanchement et à l'accumulation de fluides dans les alvéoles pulmonaires, ainsi qu'à une coagulation sanguine.

En utilisant le modèle de poumon décrit précédemment, et en introduisant dans le liquide sanguin de l'IL-2 à une dose et une fréquence identiques à celles utilisées lors des traitements anticancéreux, les scientifiques ont pu observer un transfert de liquide dans le canal pulmonaire, ce transfert étant d'autant plus important lorsque le modèle simule le mouvement de respiration du poumon (vidéo illustrant le système : [6]). Les chercheurs ont alors testé un nouvel agent thérapeutique pour éliminer la toxicité de l'IL-2 induite dans les poumons. L'introduction de cette molécule dans le système empêche l'apparition de l'oedème pulmonaire, reproduisant les résultats obtenus in vitro et in vivo dans une autre étude, publiée par K. Thorneloe et al. dans la même édition, sur des modèles animaux d'oedèmes pulmonaires induits par des attaques cardiaques [7].

Cette étude démontre qu'il est possible d'utiliser ces 'organes sur micro-puce' pour tester de nouvelles drogues. Cependant, il faut noter que les cellules humaines pulmonaires utilisées dans ce système sont dérivées d'une tumeur de poumon. Il est donc possible qu'elles ne reproduisent pas complètement les fonctions de la barrière pulmonaire humaine in vivo. Il reste maintenant aux chercheurs à mettre au point de nouvelles puces utilisant des cellules non tumorales. Cela est aujourd'hui impossible car les cellules primaires de poumon ne sont pas stables en culture. Dans le même temps, les chercheurs et les agences sanitaires réfléchissent aux critères que devront remplir ces micro-puces avant de pouvoir remplacer les études précliniques sur les animaux dans les processus de validation pharmaceutiques.