Nos organes sur une puce : le duo gagnant biologie-microfluidique
Par Audrey CHEVROLAT et Amandine LIGNIER , Consultantes – Financement de l’Innovation
ACIES Consulting Group

Nos organes sur une puce : le duo gagnant biologie-microfluidique

L’industrie pharmaceutique est en constante recherche de nouvelles voies pour présélectionner des candidats médicaments et accélérer la recherche. Depuis quelques années, la technologie « Organ-on chip », dispositif miniaturisé faisant appel à la microfluidique et à la culture de cellules vivantes pour reproduire la complexité d’organes humains, a connu un réel essor.

À la clé, la mise au point de nouveaux médicaments et un grand pas vers la médecine personnalisée.

Pourquoi ?

Les options actuelles pour tester les candidats médicaments sont la culture cellulaire et les tests sur animaux. Ces techniques, souvent coûteuses et/ou longues (essais précliniques notamment) se révèlent parfois limitantes dans l’évaluation du médicament. Les cultures de cellule (2D) ne répondent pas de la même manière que lorsqu’elles sont sous forme d’organe dans l’environnement du corps humain (absence de contraintes mécaniques par exemple) et les résultats obtenus sur l’animal démontrent souvent une faible corrélation avec les résultats obtenus une fois le candidat testé chez l’homme du fait des différences biologiques (métabolisation du médicament par exemple).

Comment ?

Le dispositif repose sur la  microfluidique et renferme des cellules vivantes logées dans de petits compartiments perfusés en continu. L’idée n’est pas de construire la totalité d’un organe ou d’un tissu, mais de créer des unités fonctionnelles de base permettant de reproduire une de leurs fonctions.

La structure de base du dispositif est donc formée d’un polymère flexible (souvent du PDMS[1]), permettant l’expansion de la puce en fonction des courants fluidiques. Puis, différents environnements sont créés au besoin. Par exemple, un « poumon sur puce », mis au point à l’Institut Wyss de Harvard, reproduit les propriétés structurelles, fonctionnelles et mécaniques d’un poumon qui respire. La puce est construite avec une barrière poreuse séparant deux zones permettant de créer les échanges gazeux ayant lieu pendant la respiration. Ensuite, les cellules humaines appropriées sont cultivées (dans ce cas, des cellules sanguines et des cellules épithéliales) et les produits étudiés sont intégrés au milieu afin de vérifier leur action (Figure 1). Cela permet d’étudier la diffusion et le fonctionnement de différentes substances dans un milieu similaire à l’original.

Schématisation d’un « poumon sur puce ».

Figure 1 : Schématisation d’un « poumon sur puce ».

La recherche sur les organes sur puce a d’ores et déjà permis de développer de nombreuses puces microfluidiques simulant partiellement différents organes : foie, poumon, intestin, placenta etc…

Par ailleurs, les multi-organes sur puce, en plein essor également, visent à évaluer un candidat médicament sur différents organes, et pas uniquement sur ceux visés par le traitement. Cela permet de s’assurer que le nouveau médicament testé n’a pas d’effet secondaire sur le reste du corps (Figure 2).

Puce Multi-Organes

Figure 2 : Puce Multi-Organes ;

Quand ?

Plusieurs sociétés (souvent des start-up) travaillent sur les organes sur puces (Emulate, Nortis, TaraBiosystems aux Etats-Unis, Mimetas en Hollande, TissuUse en Allemagne, ou encore Elvesys en France…).Pour arriver à une utilisation générale et systématique des organes sur puce en tant qu’outil de recherche, il reste encore du chemin à parcourir. D’un point de vue technique, tout d’abord, avec l’identification d’un milieu de culture « commun » à tous les dispositifs et qui fera office de substitut de sang universel. Par ailleurs, il faudra convaincre la communauté scientifique d’adopter ces dispositifs, les expériences en recherche étant fondées sur des décennies d’essais sur animaux. La validation répétée des organes sur puce sera donc essentielle pour limiter l’utilisation d’animaux en recherche clinique.

Au terme de son développement, cet outil permettra l’accès à la médecine personnalisée (adaptation du traitement au patient) et constituera un moyen de lutte efficace contre le cancer avec l’utilisation notamment de « Tumor –on chip » reproduisant le micro-environnement des cellules cancéreuses permettant de tester directement les médicaments sur les tumeurs.

Une autre application envisagée, cette fois par la NASA, serait de les utiliser, à la place des astronautes, pour la réalisation des études des effets physiologiques de la gravité et des vols spatiaux longue durée sur le corps humain.

Aujourd’hui, ces puces ne peuvent encore aujourd’hui être produites en masse. Elles sont coûteuses et les délais de fabrication sont longs. On peut cependant espérer des économies sur le long terme puisqu’elles sont réutilisables.


Sources
Organ-On-A-Chip Startup, Emulate, Grabs $45M to Shake Up Drug Discovery-oct 20, 2016- FORBES
Huh, D., Matthews, B. D., Mammoto, A., Montoya-Zavala, M., Hsin, H. Y. ,Ingber, D. E. (2010). Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science, 328(5986), 1662-1668.
Xu, Z., Li, E., Guo, Z., Wang, Q. (2015). An In Vitro Biomimetic Multi-Organ Microfluidic Chip System To Test Lung Cancer Metastasis. In C68. LAM, SURGERY, STEROID, AND THE (RE) GROWING LUNG (pp. A5014-A5014). American Thoracic Society.
https://emulatebio.com/

http://www.elveflow.com

http://nanoscience.ucf.edu

 

[1]  Polydiméthylsiloxane