Respirer bruyamment dans la puce-poumon

18. août 2010
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Celui qui veut savoir comment les médicaments ou les poisons agissent sur les poumons doit tuer des animaux ou construit une matrice "d’organes sur une puce" pour lui apporter des réponses. Un peu de synthétique, du vide comme il faut, de l’E. coli dessus et c’est prêt : une pneumonie en boîte.

L’industrie de l’informatique est l’interlocuteur de prédilection quand il s’agit de savoir comment on peut travailler très précisément sur un espace des plus petits. Une équipe de scientifiques autour de Donald E. Ingber, Directeur de l’institut Wyss d’ingénierie inspirée biologiquement à la Harvard Medical School à Boston était aussi de cet avis. Les chercheurs se servent du savoir des fabricants de puces pour concevoir une nouvelle puce bio. Au sens strict, il s’agit d’un « organe sur puce », un poumon artificiel qui imite chaque sac aérien dans sa structure et ses propriétés, sacs sans lesquels il n’y aurait ni échange gazeux, ni survie possible pour l’homme.

Et il créa les poumons à son image …

Le défi était de reconstituer d’une part la couche limite cellulaire entre l’air et la voie sanguine – naturellement avec l’emploi de matériaux originaux à savoir des cellules épithéliales des alvéoles et des cellules endothéliales des capillaires. Mais aussi la mécanique du poumon car la couche limite devrait respirer tout comme le poumon humain le fait quand il sommeille dans le thorax. L’astuce qui eut du succès auprès d’Ingber et de ses collègues consistait en une matrice synthétique produite avec les méthodes de la fabrication de puces avec des canaux encastrés. Dans l’un de ces canaux, la couche limite de cellules alvéolaires et endothéliales fut reconstituée, d’un côté de l’air, de l’autre du liquide. Les autres canaux servaient de point de raccordement pour une sorte de pompe à air miniaturisée : « Nous mettons en place un vide qui fait que la couche de cellules se détend puis se resserre », nous dit Ingber. En d’autres mots : le modèle se comporte de la même manière que le mur alvéolaire quand les arcs costaux et le diaphragme se soulèvent et se rabaissent. « Nous avons ainsi la possibilité d’examiner les réactions des poumons vis-à-vis d’agents pathogènes mais aussi de polluants », nous dit Ingber. « Nous pouvons seulement alors vraiment comprendre comment la biologie fonctionne quand nous l’établissons aussi physiquement-mécaniquement dans le contexte qui vaut pour de vrais organes. L’emploi de vide dans notre modèle imite la nature ». Pour Ingber, son modèle pulmonaire dont il a parlé dans le magazine Science est un prototype pour des modèles d’autres organes qui pourrait être produit de la même manière. « Un jour ou l’autre, on pourrait ainsi éviter bon nombre d’expérimentations animales », souligne l’expert.

Souhaité : une pneumonie artificielle

Les chercheurs de Harvard ont entretemps entrepris les premières expérimentations avec le modèle dans lequel ils peuvent montrer que leur simulation de la nature sur une puce est effectivement relativement réussie. On a ainsi pu examiner ce qui se passe quand le modèle pulmonaire est exposé à une infection avec Escherichia coli, une pneumonie simulée pour ainsi dire. Les bactéries d’E. coli furent insufflées dans le côté poumon du modèle via le conduit d’air. Le milieu de culture fut en même temps enrichi du côté sang en globules blancs. Ce que la nature fait dans une telle situation est de limiter les dégâts. Elle envoie ses cellules de défense dans le milieu alvéolaire froid pour pouvoir y sauver ce qui reste à sauver. C’est ce qui s’est effectivement passé dans le modèle. Les cellules alvéolaires reconnurent les bactéries et envoyèrent un signal en direction du vaisseau sanguin. Les leucocytes se mirent en marche à la suite de cela via le mur alvéolaire qui s’étend de manière rythmique et se contracte de nouveau. Dans le compartiment d’air, elles détruisirent les bactéries.

Le prochain pas : des modèles personnalisés pour la recherche pharmaceutique

Après ce succès, les scientifiques réalisèrent une autre expérimentation. Au lieu de bactéries, ils insufflèrent des nanoparticules dans le modèle pulmonaire pour voir ce que le poumon simulé ferait avec ceci – une fois en situation de respiration et une fois en situation de non respiration. « Nous avons constaté que l’activité de respiration renforce considérablement l’absorption des nanoparticules », souligne Dan Huh, Directeur du projet de poumon simulé. Ce n’était pas encore connu.

Le modèle de poumon des chercheurs de Boston est encore fragile. Jusqu’à présent, on n’a pas pu démontrer que l’échange gazeux peut aussi être stimulé au-delà du mur alvéolaire artificiel. On y travaille en ce moment. Il serait aussi pensable que les poumons de personnes différentes se distinguent vis-à-vis de leur comportement face aux corps étrangers. Ce point est tout particulièrement intéressant car en principe, on pourrait prendre les propres cellules des patients pour la création d’un modèle d’organe. On pourrait ainsi créer un modèle de poumon qui se comporte exactement comme le poumon du patient pour lequel par exemple, une thérapie optimale est recherchée. Si alors d’autres modèles d’organes comme l’intestin ou le foie peuvent être mis sur la même puce, les chercheurs des laboratoires pharmaceutiques pourraient alors également en même temps voir s’il y a des effets d’organes indésirables d’un médicament. Ingber en est persuadé :
« Ici s’ouvrent vraiment de tout nouveaux chemins pour le développement de médicaments ».

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