Le futur pour la recherche et la santé publique

Voici un aperçu plus développé de différents modèles alternatifs à l’expérimentation animale en cours de développement et/ou ayant déjà prouvé leur efficacité :

L’impression 3D d’organes entiers

Le bioprinting 3D est une technique permettant d’imprimer en trois dimensions des couches successives de cellules sur des bio-matrices afin de reconstituer à l’identique la structure d’un organe entier. Le Bioprinting a déjà été utilisé pour produire de la peau, des os, des greffons vasculaires, des attelles trachéales, du tissu cardiaque et des structures cartilagineuses. Bien qu’encore très récente, cette méthode est très prometteuse, non seulement pour le domaine de la médecine régénérative, mais aussi pour la découverte de médicaments et la recherche en toxicologie.Screen Shot 2015-12-07 at 21.41.43

Illustration d'impression 3D de couches de cellules (Modern Meadow)

Le modèle “Organ-on-chips” (organes sur puces)

Ce type de modèle s’inscrit dans la continuité du travail du Prof. Donald Ingber de l’Institut Wyss à l’Université de Harvard (USA), qui a été le premier à réaliser un réseau de microfluidique en interconnectant plusieurs types cellulaires placés dans des micro-chambres d’incubation. Ces micro-organes interconnectés permettent de simuler des réactions physiologiques globales. Ainsi, l'absorption systémique et le métabolisme des médicaments au niveau de l'intestin grêle, leur métabolisme par le foie ainsi que l'excrétion par le rein sont les principaux déterminants de l'efficacité et de sécurité pour les candidats thérapeutiques. Cependant, ces réponses systémiques à l’application de ces substances manquent dans la plupart des essais in vitro. Grâce à la microfluidique combinée à l’ingénierie tissulaire, on peut aujourd’hui simuler la physiologie et maintenir la fonctionnalité de ces micro-organes (peau, intestin, foie et rein) durant un mois ! Ce système permet d’obtenir in vitro les profils toxicologiques de candidats médicaments en s’affranchissant de tests animaux. L’objectif est maintenant de développer des « puces » encore plus complètes, intégrant la plupart des organes humains.

6922611-10583270

Modèle "Organ-on-chips" développé par D. Ingberg

Vidéo illustrative du modèle "Organ-on-chips": TEDx talks, Institut Wyss, biologiste Géraldine Hamilton (vidéo en anglais mais possibilité de mettre les sous-titres en français dans les paramètres).

Modèle in vitro MucilairTM

Les pathologies du système respiratoire, telles que les allergies, l’asthme ou la broncho- pneumopathie chronique obstructive (BPCO) sont devenues, avec l’augmentation des pollutions environnementales, des enjeux de santé majeurs. Grâce aux techniques d’ingénierie tissulaire, il est possible de reconstituer, à partir de déchets opératoires, des modèles in vitro de ces différentes pathologies. On peut citer le modèle in vitro d’épithélium respiratoire humain MucilairTM développé par les chercheurs de la société genevoise Epithélix. Ces tissus respiratoires reconstitués permettent le remplacement des tests sur animaux dans des études de toxicité (impact des polluants environnementaux, des produits chimiques, matériaux inhalés, etc.) et la mise au point de nouveaux médicaments.

epithelix-31044000

Culture in vitro de cellules respiratoires humaines (Modèle MucilAirTM, Epithelix)

Screen Shot 2015-12-07 at 17.39.10

Représentation schématique du modèle MucilairTM (Epithelix)

Utilisation de MucilairTM dans des cas où il n’y a pas d’équivalents animaux:

Certaines maladies génétiques humaines restant difficilement modélisables chez l’animal, les tissus respiratoires in vitro permettent d’aller beaucoup plus loin dans la recherche.
C’est le cas de la mucoviscidose où le disfonctionnement d’un canal ionique transporteur du chlore (CFTR) entraîne une augmentation de la viscosité du mucus et son accumulation dans les voies respiratoires, et à terme de multiples infections pharmaco-résistantes. De nombreux modèles murins ont été créés, mais aucun ne reproduisait les lésions pulmonaires caractéristiques retrouvées chez les patients humains. Le modèle MucilairTM, établi à partir de cellules mutées pour le CFTR, permet de reproduire le phénotype respiratoire de la mucoviscidose et l’étude pour la mise au point et le test de nouveaux médicaments.

MucilairTM est aussi utilisé avec efficacité dans le domaine des infections virales. Certaines souches virales présentent un tropisme d’espèce et sont capables d’infecter uniquement les muqueuses respiratoires humaines. Sans modèle de réplication, il n’y a donc pas de possibilité d’étudier ces virus en laboratoire. C’était le cas des rhinovirus de type C responsables du rhume chez l’homme. Récemment, il a été possible de montrer pour la première fois la réplication in vitro des souches HRVC2, 7, 12 15 et 29 avec le modèle MucilairTM, qui permet également la réplication in vitro de virus de la grippe et des bocavirus responsables d’hépatites.

Le modèle des «multicellular tumor spheroids» (MCTS)

Dans ce modèle, des cellules cancéreuses sont cultivées in vitro en 3D afin d’augmenter les interactions entre les cellules, sous forme de petits organoïdes sphériques. Lorsque les sphéroïdes atteignent une certaine taille ils présentent une zone externe en prolifération, une zone intermédiaire quiescente et un noyau central nécrotique, une organisation qui permet de reproduire les gradients de nutriments et d’oxygénation tels qu’ils existent dans la tumeur humaine originale. De plus, ces sphéroïdes peuvent être cultivés en présence de cellules de la matrice extracellulaire, de la microvasculature ou même du système immunitaire qui vont contribuer à simuler le microenvironnement de la tumeur. Depuis qu’il est possible d’automatiser la fabrication des sphéroïdes, ce modèle est très utilisé par l’industrie pharmaceutique. Il permet de tester un grand nombre de molécules (High Throughput Screening) sur des micro-cancers du colon, de la prostate, du foie, du rein et des voies aérodigestives supérieures et de sélectionner rapidement les candidats médicaments les plus prometteurs qui seront ensuite testés sur des modèles plus complexes. Ce modèle a par exemple été utilisé pour la mise au point du Catumaxomab, un anticorps aujourd’hui validé par l’EMA (Agence Européenne du Médicament) pour le traitement d’ascites malignes.

jcav02p0507g01

Comparaison d'une tumeur sphéroïde en 3D  avec une tumeur "In Vivo"

Le modèle des « tissus cancéreux reconstitués »

Il est possible grâce aux méthodes d’ingénierie tissulaire et de bio-printing, de sélectionner et de réorganiser de multiples types cellulaires afin de reconstruire in vitro un fragment de tissu humain. En incorporant dans ces tissus des cellules tumorales, il devient possible de reconstituer le processus de croissance de micro-tumeurs dans un environnement fonctionnel et donc de simuler la maladie telle qu’elle se développe chez le patient. Ces modèles complexes existent pour le cancer du mélanome et le cancer du poumon (OncoCilAirTM). Ils présentent un grand intérêt puisqu’ils permettent de tester non seulement l’efficacité du futur médicament sur la partie tumorale, mais aussi sa possible toxicité sur les cellules saines de la culture. Le modèle OncoCilAirTM a l’avantage de rester fonctionnel pendant plusieurs mois, ce qui permet de tester à la fois des traitements aigus et chroniques et donc de simuler les dosages qui seront prescrits aux patients pendant les essais cliniques.

Screen Shot 2015-12-07 at 20.03.00

Représentation du modèle OncoCilAirTM (Oncotheis)