Le système du Body-on-Chip de l’Institut Wyss est superposé à l' »Homme de Vitruve » de Léonard de Vinci
Le développement et l’approbation éventuelle des médicaments modernes dépendent énormément des modèles sur les animaux et des essais cliniques sur l’homme, mais depuis un certain temps, les scientifiques travaillent sur une approche alternative et plus rapide. En recréant les fonctions de divers organes sur de petits dispositifs appelés « Organ Chips » ou « Organs-on-a-chip », les chercheurs espèrent réduire considérablement le temps et le coût des essais de sécurité et d’efficacité des nouveaux médicaments. Les scientifiques de l’Institut Wyss de Harvard en ont maintenant réuni dix pour créer une plateforme fonctionnelle d’organes sur puce (Body-on-Chips) qui peut offrir des informations nouvelles et complètes sur le comportement des médicaments potentiels dans l’ensemble du corps humain.
Le but du projet de recherche était non seulement de recréer les fonctions complexes de 10 organes humains différents, mais aussi de les relier entre eux par des voies fluidiques pour observer comment le flux de sang simulé affecte l’ensemble du système. Un médicament peut sembler sûr lorsqu’il est examiné dans les reins, par exemple, mais il peut créer des effets secondaires dans d’autres organes. L’idée de ces systèmes « body-on-chip » est de détecter ces dangers plus tôt dans le processus de test.
En 2017, un système de « corps sur puce » mis au point par les scientifiques de l’Institut de médecine régénérative de Wake Forest combinait plusieurs modèles d’organes en un seul système. Le Wyss Institute’s s’appuie sur ce système pour offrir une image plus complète, les scientifiques se concentrant sur deux aspects du comportement des drogues en particulier.
Le premier est connu sous le nom de pharmacocinétique (PK), qui inverse la façon dont un médicament est absorbé, distribué, métabolisé et excrété par le corps humain, ce qui détermine en fin de compte les niveaux de médicament laissés dans le sang. L’autre est connue sous le nom de pharmacodynamique (PD), qui fait référence à la façon dont un médicament affecte ses organes cibles, y compris les mécanismes de son fonctionnement et les effets secondaires potentiels.
Comme d’autres étudiés dans le passé, les puces d’organes qui composent le système « corps sur puce » sont des dispositifs microfluidiques de la taille d’une clé USB. Une paire de canaux parallèles sont séparés par une membrane poreuse, avec des cellules spécifiques à l’organe peuplant un côté et des cellules vasculaires imitant un vaisseau sanguin de l’autre.
Ces organes sur puce sont reliés par des canaux vasculaires qui transfèrent le fluide entre eux pour imiter le flux sanguin dans le corps humain. De cette façon, les scientifiques sont en mesure d’observer l’impact des médicaments sur la pharmacocinétique et la pharmacodynamique, l’équipe utilisant la modélisation informatique pour prédire comment ils pourraient avoir un impact sur l’ensemble du corps humain.
« Dans cette étude, nous avons relié en série les canaux vasculaires de huit puces organiques différentes, dont l’intestin, le foie, les reins, le cœur, les poumons, la peau, la barrière hémato-encéphalique et le cerveau, en utilisant un substitut sanguin commun hautement optimisé, tout en perfusant indépendamment les canaux individuels tapissés par des cellules spécifiques aux organes », explique le co-premier auteur Richard Novak. « L’instrument a maintenu la viabilité de tous les tissus et de leurs fonctions spécifiques aux organes pendant plus de trois semaines et, surtout, il nous a permis de prédire quantitativement la distribution d’une substance chimique spécifique aux tissus dans l’ensemble du système ».
Dans une expérience, les scientifiques ont utilisé la plateforme modulaire pour connecter des puces d’organe simulant l’intestin, le foie et un rein. De la nicotine a été ajoutée à la puce d’intestin pour imiter l’administration orale du médicament, d’où elle a été passée à travers la paroi intestinale, à travers le système vasculaire jusqu’au foie pour être métabolisée, et ensuite jusqu’au rein où elle a été excrétée. Une analyse par spectrométrie de masse a suivi, l’équipe confirmant que le trajet du médicament et ses effets ressemblaient beaucoup à ceux observés chez l’homme.
Lors d’une expérience, les scientifiques ont utilisé la plateforme modulaire Body-on-Chip pour connecter des puces d’organes simulant l’intestin, le foie et un rein, puis ont testé la façon dont la nicotine a voyagé dans le système
« Les concentrations maximales de nicotine calculées qui en résultent, le temps nécessaire à la nicotine pour atteindre les différents compartiments tissulaires et les taux de clairance dans les puces hépatiques de notre modèle in vitro in silico reflétaient étroitement ce qui avait été mesuré précédemment chez les patients », déclare Ben Maoz, co-premier auteur.
Dans une autre expérience, l’équipe a observé les effets d’un médicament de chimiothérapie courant appelé cisplatine, qui peut être toxique pour les reins et la moelle osseuse. La plateforme « Body on Chips » s’est à nouveau révélée être un modèle précis.
« Notre analyse récapitule les effets pharmacodynamiques du cisplatine chez les patients, notamment une diminution du nombre de différents types de cellules sanguines et une augmentation des marqueurs de lésions rénales », déclare la co-première auteure Anna Herland.
Les résultats de ces recherches ont été publiés dans la revue Nature Biomedical Engineering (1, 2), et la vidéo ci-dessous offre un aperçu de la plateforme « Body on Chips » en action, avec un instrument appelé « Interrogator » reliant entre eux les différents Organ Chips composant le système.
