Essais précliniques, ou des études qui testent l’efficacité et la toxicité d’un médicament avant qu’il n’entre dans des essais cliniques chez l’homme, sont principalement menées sur des cultures cellulaires et des animaux. Les deux sont limités par leur faible capacité à imiter les conditions du corps humain. Cultures cellulaires dans une boîte de Pétri sont incapables de reproduire tous les aspects de la fonction tissulaire, comme la façon dont les cellules interagissent dans le corps ou la dynamique des organes vivants. Et animaux ne sont pas des humains – même de petites différences génétiques entre les espèces peuvent être amplifiées en différences physiologiques majeures.
Moins de 8% des études animales réussies pour les thérapies contre le cancer se rendent aux essais cliniques humains. Étant donné que les modèles animaux échouent souvent à prédire les effets des médicaments dans les essais cliniques sur l’homme, ces échecs à un stade avancé peuvent augmenter considérablement les coûts et les risques pour la santé des patients.
Pour résoudre ce problème de traduction, les chercheurs ont développé un modèle prometteur qui peut imiter plus étroitement le corps humain : l’organe sur puce.
En tant que chimiste analytique, j’ai travaillé au développement de modèles d’organes et de tissus qui évitent la simplicité des cultures cellulaires communes et les divergences des modèles animaux. Je crois qu’avec un développement ultérieur, les organes sur puces peuvent aider les chercheurs à étudier les maladies et à tester des médicaments dans des conditions plus proches de la vie réelle.
Les organes sur puces offrent un modèle alternatif pour la recherche biomédicale de phase précoce.
Qu’est-ce qu’un organe sur puce ?
À la fin des années 1990, des chercheurs ont trouvé un moyen de couches de polymères élastiques pour contrôler et examiner les fluides à un niveau microscopique. Cela a lancé le domaine de microfluidiquequi pour les sciences biomédicales implique l’utilisation de dispositifs capables d’imiter l’écoulement dynamique des fluides dans le corps, comme le sang.
Les progrès de la microfluidique ont fourni aux chercheurs une plate-forme pour cultiver des cellules qui fonctionnent plus étroitement qu’elles ne le feraient dans le corps humain, en particulier avec organes sur puces. La « puce » fait référence au dispositif microfluidique qui enveloppe les cellules. Ils sont généralement fabriqués à l’aide de la même technologie que les puces informatiques.
Non seulement les organes sur puces imitent le flux sanguin dans le corps, mais ces plateformes disposent de microchambres qui permettent aux chercheurs d’intégrer plusieurs types de cellules pour imiter la diversité des types de cellules normalement présents dans un organe. Le flux de fluide relie ces multiples types de cellules, permettant aux chercheurs d’étudier comment ils interagissent les uns avec les autres.
La microfluidique peut être utilisée pour de nombreuses applications dans la recherche biologique.
Cette technologie peut surmonter les limitations des cultures cellulaires statiques et des études animales de plusieurs manières. Premièrement, la présence de fluide circulant dans le modèle lui permet d’imiter à la fois ce qu’une cellule éprouve dans le corps, comme la façon dont elle reçoit les nutriments et élimine les déchets, et comment un médicament se déplacera dans le sang et interagira avec plusieurs types de cellules. La capacité de contrôler le débit de fluide permet également aux chercheurs d’affiner le dosage optimal pour un médicament particulier.
Les poumon sur puce modèle, par exemple, est capable d’intégrer à la fois les qualités mécaniques et physiques d’un poumon humain vivant. Il est capable d’imiter la dilatation et la contraction, ou l’inspiration et l’expiration, du poumon et de simuler l’interface entre le poumon et l’air. La capacité de reproduire ces qualités permet aux chercheurs de mieux étudier l’insuffisance pulmonaire à travers différents facteurs.
Mise à l’échelle des organes sur puces
Alors que les organes sur puce repoussent les limites de la recherche pharmaceutique à un stade précoce, la technologie a pas été largement intégré dans les pipelines de développement de médicaments. Je pense que l’un des principaux obstacles à une large adoption de ces puces est leur grande complexité et leur faible fonctionnalité.
Les modèles actuels d’organes sur puce sont difficiles à utiliser pour le scientifique moyen. De plus, comme la plupart des modèles sont à usage unique et n’autorisent qu’une seule entrée, ce qui limite ce que les chercheurs peuvent étudier à un moment donné, leur mise en œuvre est à la fois coûteuse et demande beaucoup de temps et de main-d’œuvre. Les investissements élevés requis utiliser ces modèles pourrait freiner l’enthousiasme à les adopter. Après tout, les chercheurs utilisent souvent les modèles les moins complexes disponibles pour les études précliniques afin de réduire le temps et les coûts.
Abaisser la barre technique pour fabriquer et utiliser des organes sur puce est essentiel pour permettre à l’ensemble de la communauté de recherche de profiter pleinement de leurs avantages. Mais cela ne nécessite pas nécessairement de simplifier les modèles. Mon labopar exemple, a conçu divers puces tissulaires « plug-and-play » qui sont standardisés et modulaires, permettant aux chercheurs d’assembler facilement des pièces préfabriquées pour mener leurs expériences.
L’avènement de impression en 3D a également considérablement facilité le développement d’organes sur puce, permettant aux chercheurs de fabriquer directement des modèles entiers de tissus et d’organes sur des puces. L’impression 3D est idéale pour le prototypage rapide et le partage de conception entre les utilisateurs et facilite également la production de masse de matériaux standardisés.
Je crois que les organes sur puces ont le potentiel de permettre des percées dans la découverte de médicaments et de permettre aux chercheurs de mieux comprendre le fonctionnement des organes dans la santé et la maladie. Accroître l’accessibilité de cette technologie pourrait aider à retirer le modèle du développement en laboratoire et à laisser sa marque sur l’industrie biomédicale.
Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.