Respirer la vie dans de minuscules poumons modèles
Les cultures de cellules vivantes sont une composante essentielle des tests de médicaments et des dispositifs de diagnostic. Cependant, une couche de cellules dans une boîte de Pétri est souvent loin de reproduire les conditions trouvées dans les organismes vivants. Le projet MECH-LoC a cherché à résoudre ce problème en développant un modèle plus précis dénommé puce-poumon. «Nous voulons créer un système qui ait plus de pertinence physiologique qu’une boîte de Pétri», déclare Lisa Muiznieks, coordinatrice du projet. «Une boîte de Pétri est statique, il n’y a aucun mouvement. Dans les tissus et les cellules, des forces dynamiques comme la respiration, la marche et le saut sont à l’œuvre à tous les niveaux; à petite échelle, les poumons se dilatent et se contractent, les alvéoles s’étirent et se compriment à chaque respiration.»
Imiter la matrice extracellulaire
Le flux d’air qui traverse les poumons, ainsi que la pression et la contrainte de cisaillement du sang et du liquide extracellulaire appliquent également des forces mécaniques sur les cellules, explique Lisa Muiznieks. La réplication de ces flux sur une puce microfluidique permettra également aux chercheurs d’administrer des nutriments cellulaires et d’éliminer les déchets cellulaires de manière plus efficace. «Cette puce-poumon n’a pas pour but de remplacer tout l’organe, mais d’imiter un petit sous-ensemble de fonctions spécifiques, ici, l’interface air-liquide de la surface des alvéoles», observe Lisa Muiznieks. Pour créer une surface réaliste, les cellules ont été fixées à une fine matrice protéique. «Toutes les cellules reposent sur une matrice extracellulaire, un réseau de protéines fibreuses comme le collagène, la fibronectine et l’élastine», ajoute Lisa Muiznieks. «Nous pouvons imiter cet environnement pour les cellules en fabriquant une membrane à partir des mêmes protéines.» La création de ces membranes est au cœur de la carrière de chercheuse de Lisa Muiznieks. Soutenue par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, Lisa Muiznieks s’est installée en France pour travailler avec la société de microfluidique Elvesys, hôte du projet, pour construire des puces-poumons modèles. Après avoir achevé ses travaux en tant que boursière en octobre 2020, elle a été engagée en tant que membre du personnel à temps plein chez Elvesys. «Nous disposons de prototypes, mais leur niveau de préparation technologique n’est pas très élevé, des recherches supplémentaires sont nécessaires avant d’en arriver là», explique Lisa Muiznieks. «Nous avons conçu le boîtier, créé la membrane, l’avons intégrée dans la puce microfluidique, avons effectué des tests de validation en ajoutant des cellules et en faisant en sorte que ces cellules se fixent, et avons pu perfuser le canal.»
Moins d’expérimentation animale
La prochaine étape, dit-elle, consiste à ajouter d’autres propriétés mécaniques et stimuli, à recréer le flux dynamique et l’étirement observés chez les organismes vivants, et à tester des médicaments à l’aide du système. Le but ultime est de fournir des systèmes modèles physiologiquement précis qui peuvent réduire le recours aux expérimentations animales. «L’utilisation d’animaux pose de nombreux problèmes éthiques et coûte énormément d’argent. Les essais de médicaments peuvent sembler prometteurs sur un modèle animal et s’avérer inopérants dans 90 % des cas lors de l’essai clinique sur les humains», remarque Lisa Muiznieks. «Nous avons besoin d’un meilleur modèle de fonction tissulaire spécifique pour améliorer le développement de la médecine.» Elle ajoute que si les modèles d’organes sur puce s’avèrent fructueux, les propres cellules d’un patient pourraient être ajoutées à l’échafaudage, ouvrant ainsi la voie à des tests médicaux personnalisés très spécifiques. Lisa Muiznieks vise à défendre la microfluidique pour attirer de nouveaux chercheurs dans le domaine et les inciter à l’intégrer dans leurs propres recherches. «L’organe sur puce est relativement nouveau, c’est un domaine prometteur, mais il faudra des preuves de concept solides avant qu’il ne soit repris par les grandes sociétés pharmaceutiques. J’espère que nous y parviendrons. Les travaux collectifs prévalent sur les travaux individuels.»
Mots‑clés
MECH-LoC, poumon, puce, diagnostic, médicament, culture, cellules, organe, alvéoles
