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Reconstituer des « organes sur puce », une voie vers de nouveaux médicaments ?

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La mise sur le marché d’un nouveau médicament coûte des milliards d’euros et peut prendre plus de dix ans. Ces investissements considérables en argent et en temps contribuent fortement à la montée en flèche des coûts de santé et constituent des obstacles importants à la mise à disposition de nouvelles thérapies pour les patients. L’un des obstacles réside dans les modèles de laboratoire utilisés par les scientifiques pour développer les médicaments.

Les essais précliniques, c’est-à-dire les études qui permettent de tester l’efficacité et la toxicité d’un médicament avant qu’il ne fasse l’objet d’essais cliniques chez l’homme, sont principalement réalisés sur des cultures cellulaires et des animaux. Ces deux méthodes sont limitées par leur faible capacité à reproduire les conditions du corps humain. Les cultures cellulaires dans une boîte de pétri sont incapables de reproduire tous les aspects du fonctionnement des tissus, comme la façon dont les cellules interagissent dans le corps ou la dynamique des organes vivants. Et les animaux ne sont pas des humains — même de petites différences génétiques entre les espèces peuvent être amplifiées et devenir des différences physiologiques majeures.

Moins de 8 % des études animales réussies pour des thérapies contre le cancer aboutissent à des essais cliniques sur l’homme. Comme les modèles animaux ne parviennent souvent pas à prédire les effets des médicaments lors des essais cliniques sur l’homme, ces échecs tardifs peuvent augmenter considérablement les coûts et les risques pour la santé des patients.

Pour résoudre ce problème de transposition, les chercheurs ont mis au point un modèle prometteur qui peut imiter plus fidèlement le corps humain : l’organe sur puce.

En tant que chimiste analytique, j’ai travaillé à la mise au point de modèles d’organes et de tissus qui évitent la trop grande simplicité des cultures cellulaires courantes et les divergences des modèles animaux avec l’humain. Je pense qu’avec un développement plus poussé, les organes sur puce peuvent aider les chercheurs à étudier les maladies et à tester les médicaments dans des conditions plus proches de la réalité.

Que sont les organes sur puce ?

À la fin des années 1990, des chercheurs ont trouvé un moyen de superposer des polymères élastiques pour contrôler et analyser les fluides à l’échelle microscopique. C’est ainsi qu’est né le domaine de la microfluidique, qui, dans le domaine des 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 scientifiques une plate-forme pour cultiver des cellules dont le fonctionnement est plus proche de celui du corps humain, notamment avec les organes sur puce. La «puce» désigne le dispositif microfluidique qui renferme les cellules. Elles sont généralement fabriquées à l’aide de la même technologie que les puces d’ordinateur.

La technologie des «organes-sur-puce» au service de la recherche biomédicale. Le réseau des Carnot.

Non seulement les organes sur puce imitent la circulation sanguine dans le corps, mais ces plates-formes sont également dotées de microchambres qui permettent d’intégrer plusieurs types de cellules afin d’imiter les divers types de cellules normalement présents dans un organe. Le flux de liquide relie ces types de cellules, ce qui permet d’étudier comment elles interagissent les unes avec les autres.

Cette technologie peut surmonter les limites des cultures cellulaires statiques et des études sur les animaux de plusieurs manières. Tout d’abord, la présence de fluide circulant dans le modèle permet d’imiter à la fois ce qu’une cellule vit dans l’organisme, comme la façon dont elle reçoit les nutriments et élimine les déchets, et la façon dont un médicament se déplace dans le sang et interagit avec plusieurs types de cellules. La possibilité de contrôler l’écoulement des fluides permet également de régler avec précision le dosage optimal d’un médicament particulier.

Le modèle de poumon sur puce, par exemple, est capable d’intégrer 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 de mieux étudier la déficience pulmonaire en fonction de différents facteurs.

Comment utiliser davantage cette technologie ?

Bien que les organes sur puce repoussent les limites des recherches amont en pharmaceutique, cette technologie n’a pas encore été largement intégrée dans les filières 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 praticité.

Les modèles actuels d’organes sur puce sont difficiles à utiliser. De plus, comme la plupart des modèles sont à usage unique et ne permettent 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 exigeante en temps et en main-d’œuvre. Les investissements élevés requis pour utiliser ces modèles pourraient freiner l’enthousiasme pour leur adoption. Après tout, les chercheurs utilisent souvent les modèles les moins complexes disponibles pour les études précliniques afin de réduire le temps et les coûts.

Cette puce imite la barrière hémato-encéphalique. Le colorant bleu marque l’endroit où les cellules cérébrales iraient, et le colorant rouge marque la route du flux sanguin.
Vanderbilt University/Flickr

Il est essentiel d’abaisser le seuil technique de fabrication et d’utilisation des organes sur puce pour permettre à l’ensemble de la communauté de profiter pleinement de leurs avantages. Mais cela ne passe pas nécessairement par une simplification des modèles. Mon laboratoire, par exemple, a conçu plusieurs puces tissulaires prêtes à l’emploi, standardisées et modulaires, permettant d’assembler facilement des pièces préfabriquées pour réaliser leurs expériences.

L’avènement de l’impression 3D a également facilité de manière significative le développement des 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 la conception entre utilisateurs et facilite également la production de masse de matériaux standardisés.

Je pense que les organes sur puce ont le potentiel de permettre des percées dans la découverte de médicaments et de mieux comprendre le fonctionnement des organes, qu’ils soient sains ou malades. En rendant cette technologie plus accessible, on pourrait sortir le modèle du développement en laboratoire et le laisser s’imposer dans l’industrie biomédicale.

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