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Une micropuce qui tombe malade comme les Hommes pour mieux les guérir

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Elle ne tousse pas, pourtant elle peut être victime d'un œdème pulmonaire. Une micropuce développée par des chercheurs américains a été conçue dans l'objectif d'imiter au mieux le poumon humain afin de tester l'efficacité de médicaments. Et de remplacer les souris de laboratoire et les boîtes de Petri...

La micropuce n'est pas plus grande qu'une carte mémoire mais joue le rôle d'un poumon artificiel imitant du mieux possible l'organe humain. Un jour peut-être, ces composés remplaceront les animaux de laboratoire. © Wyss Institute, Harvard University

Des traitements prometteurs, il en existe en nombre. Les animaux de laboratoire guérissent de diverses maladies, les cellules humaines cultivées réagissent bien à de nombreux médicaments... Pourtant, lorsque des essais cliniques sont menés, la plupart du temps ils n'aboutissent pas, faute d'efficacité sur des patients humains. Cette situation décourage les nombreuses firmes pharmaceutiques qui ont investit beaucoup de temps et d'argent dans des projets qui ne voient jamais le jour.

Les scientifiques cherchent donc de nouveaux modèles, plus précis et éthiques. Le National Institute of Health (NIH) américain a décidé de soutenir des technologies nouvelles qui consistent à fabriquer des organes de synthèse à partir de micropuces. Dans son budget, il prévoit d'allouer 70 millions de dollars (55 millions d'euros) sur 5 ans à différents laboratoires travaillant sur ce projet, dont 37 millions pour le seul Wyss Institute de la célèbre Harvard University.

Un financement qui semble porter ses fruits, puisque deux ans après avoir initié une telle besogne, les chercheurs de cet institut viennent d'obtenir leurs premiers résultats probants, comme ils le démontrent dans la revue Science Translational Medicine. Caractéristique des progrès en matière de « microfluidique », leur micropuce a pu être victime d'un œdème pulmonaire de la même façon qu'un être humain. Expérience qui a en plus apporté du nouveau sur l'apparition de ce trouble...

Un poumon artificiel de plastique et de cellules

Dans cette puce en polymères plastiques, pas de circuit imprimé, mais deux étroits canaux séparés par une membrane fine, flexible et poreuse, de façon à obtenir deux compartiments. Dans l'un d'eux circule de l'air, comme cela se produit dans un poumon. Il est délimité par des cellules pulmonaires positionnées sur la face interne de la membrane. De l'autre côté circule un fluide semblable au sang, avec des cellules de vaisseaux sanguins accolés à la membrane, de façon à imiter au mieux la surface d'échange d'un poumon.

De part et d'autre, comme le montre le schéma ci-dessous, des espaces vides dans lequel les scientifiques créent des appels d'air de manière à imiter les mouvements dus à la respiration.

Ce schéma représente la structure de la micropuce. Le compartiment du haut, mimant le sac pulmonaire connaît un flux d'air (air flow). Il est délimité par des cellules pulmonaires (lung cells). En dessous, le compartiment sanguin (blood flow) et ses cellules de capillaires (capillary cells). À droite et à gauche, des poches dans lesquelles les scientifiques peuvent faire le vide (vacuum) de manière à étirer en largeur la structure. À ce stade, on peut voir que le compartiment pulmonaire est bien rempli d'eau, l'air n'ayant plus beaucoup de place pour se faufiler : c'est un œdème pulmonaire. © Wyss Institute, Harvard University

L'objectif avoué était de recréer l'équivalent d'un œdème pulmonaire, une situation pathologique dans laquelle une partie du sang se déverse dans les poumons, limitant donc la respiration et pouvant se révéler mortelle.

Une micropuce qui nous en apprend plus sur l’œdème pulmonaire

Pour produire un tel effet, les auteurs ont eu recours à un composé naturel du corps également utilisé dans certaines chimiothérapies anticancéreuses : l'interleukine-2 (IL-2). Parmi les effets secondaires qu'elle entraîne, se trouvent des œdèmes au niveau pulmonaire justement. En guise de test, les doses normalement distribuées aux patients ont été injectées dans le système circulatoire de la puce, à des intervalles de temps respectant parfaitement le traitement habituel.

Comme observé chez l'Homme, l'IL-2 a induit une entrée du liquide dans le compartiment mimant le sac pulmonaire. Certaines protéines sanguines se sont même agglomérées pour former un caillot, de la même façon que cela se produit dans la situation pathologique. Les scientifiques ont donc recréé un œdème pulmonaire.

Fait intéressant : ils ont montré que l'appel d'air mimant la respiration multipliait par trois le déversement du fluide vers le poumon. Personne n'avait jamais suspecté le rôle des mouvements mécaniques respiratoires dans l'amplification de l'œdème. Or après vérification in vivo, les mêmes processus se produisent également chez l'animal.

Des cobayes du futur ?

Dans les prochaines années, les scientifiques espèrent imposer ces dispositifs dans les protocoles de validation des médicaments, en remplacement des cultures cellulaires et des animaux de laboratoire. Ils pourraient même être utilisés dans d'autres tests, que ce soit dans l'évaluation de produits cosmétiques, de polluants, d'aliments, ou bien encore pour mieux comprendre certaines maladies.

Avant de se projeter aussi loin dans le futur, l'équipe du Wyss Institute a pris contact avec les agences sanitaires pour déterminer ensemble quels critères devront remplir ces micropuces avant de prétendre s'imposer sur le marché. Ce processus de validation demandera nécessairement du temps.

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