Des chercheurs créent une alvéole respirante in vitro

Des chercheurs de l’Université du Zhejiang ont réussi à construire des alvéoles biomimétiques à l’extérieur du corps humain, capables de reproduire le processus de respiration humaine.

Comment simuler les diverses déformations des alvéoles du corps ? Comment construire une interface air-liquide avec des matériaux adaptés ? Ce sont encore des problèmes à résoudre dans la construction de modèles alvéolaires in vitro.

Inspiré par le découpage du papier, le groupe de recherche a conçu une nouvelle membrane biomimétique contrôlable (BCSM) pour simuler la membrane basale alvéolaire, réalisant ainsi une barrière air-sang et une respiration biomimétique pour la recherche sur les mécanismes cellulaires et le criblage de médicaments.

L’étude, publié dans le Journal international de fabrication extrême (IJEM), détaille la méthodologie de création de la structure de la membrane basale alvéolaire et du modèle d’unité pulmonaire biomimétique, permettant la simulation des états normaux et anormaux de la respiration humaine. La recherche présente un potentiel important pour promouvoir le développement de nouveaux médicaments, comprendre le développement alvéolaire et identifier les cibles de la maladie.

« Les maladies respiratoires chroniques comptent parmi les quatre principales maladies chroniques au monde, ce qui rend le développement de nouveaux traitements pour les maladies pulmonaires à la fois important et précieux. Cependant, le processus de développement de nouveaux médicaments se heurte à de nombreux défis, notamment des risques élevés, des délais longs et des coûts substantiels. Les principales questions à résoudre sont de savoir comment réduire les coûts de recherche et de développement, augmenter les taux de réussite et concevoir de nouvelles méthodes d’évaluation des médicaments », a déclaré le professeur Yong He de l’Université du Zhejiang.

Le système microphysiologique alvéolaire est un outil scientifique révolutionnaire qui reproduit in vitro la structure de la principale unité respiratoire du corps, les alvéoles. « Ce système fournit un modèle qui reflète plus précisément la physiologie humaine et devrait combler le fossé entre les expériences cliniques et les modèles d’expérimentation animale. Cela permettra une simulation plus précise des processus biologiques au sein du corps humain », a déclaré le Dr Yuanrong Li, le premier auteur du journal.

Les alvéoles, principalement composées de cellules épithéliales alvéolaires, de membrane basale et de capillaires, subissent divers changements de forme au cours de la respiration. « Bien qu’il y ait eu des progrès significatifs dans les systèmes microphysiologiques alvéolaires, il reste un déficit en biomatériaux appropriés pour construire des membranes basales alvéolaires et contrôler les différentes déformations alvéolaires », a déclaré Li.

Inspirée par l’art du découpage du papier, l’équipe de recherche a conçu une membrane basale biomimétique recouverte de GelMA sur une surface de maillage topologique en polycaprolactone (PCL). Le maillage PCL est structuré de cercles et de vagues. Lorsque la membrane basale biomimétique est activée, la forme des cercles reste constante.

Plus l’arc de l’onde est grand, plus la déformation de l’onde étirée est importante, et par conséquent, plus la déformation de l’hydrogel à proximité de l’onde est importante. En modifiant des vagues de courbures différentes, la déformation de l’ensemble de la membrane basale biomimétique peut être contrôlée.

Grâce à l’optimisation des matériaux, l’équipe de recherche a sélectionné une concentration de GelMA qui correspond à la rigidité de la matrice extracellulaire alvéolaire (ECM). Le ligand Arg-Gly-Asp (RGD) contenu dans GelMA facilite l’adhésion cellulaire et favorise un microenvironnement alvéolaire plus propice. De plus, le revêtement GelMA permet la culture de cellules à l’interface air-liquide, simulant ainsi la barrière air-sang humaine.

« Cette conception structurelle est très intéressante pour nous, car elle peut être utilisée non seulement pour simuler la respiration alvéolaire, mais également pour d’autres scénarios dans lesquels la déformation locale doit être contrôlée », explique Li. L’équipe de recherche a vérifié l’efficacité de cette conception composite grâce à des simulations numériques et des expériences cellulaires.

Dans les étapes finales de leur étude, l’équipe de recherche a utilisé un système microphysiologique alvéolaire pour imiter les lésions pulmonaires induites par la ventilation mécanique. Par la suite, ils ont administré du Lopinavir/ritonavir comme moyen de soulager les symptômes associés aux lésions pulmonaires induites par le ventilateur.

Les systèmes microphysiologiques alvéolaires représentent une convergence innovante de la biologie, de la médecine et de l’ingénierie, avec le potentiel de transformer un éventail de disciplines scientifiques, notamment la biologie fondamentale, la physiologie, la pharmacologie, la toxicologie et la découverte de médicaments. Des progrès significatifs ont été réalisés dans le développement de membranes basales biomimétiques et de bioréacteurs pour ces systèmes.

« Pour l’avenir, l’accent devrait être mis sur la création d’outils non seulement physiologiquement pertinents, mais également conviviaux, reproductibles et rentables, afin de fournir des avantages tangibles à la communauté scientifique dans son ensemble », a déclaré le professeur He.