‘Body on a chip’ could improve drug evaluation
MIT engineers have developed new technology that could be used to evaluate new drugs and detect possible side effects before the drugs are tested in humans. Using a microfluidic platform that connects engineered tissues from up to 10 organs, the researchers can accurately replicate human organ interactions for weeks at a time, allowing them to measure the effects of drugs on different parts of the body.
Credit: Felice Frankel

Les ingénieurs du MIT ont développé une technologie qui pourrait être utilisée pour évaluer de nouveaux médicaments et détecter les effets secondaires possibles avant que les médicaments ne soient testés chez l’homme. En utilisant une plate-forme microfluidique qui relie des tissus artificiels jusqu’à 10 organes, les chercheurs peuvent répliquer avec précision les interactions des organes humains pendant des semaines à la fois, leur permettant de mesurer les effets des médicaments sur différentes parties du corps.

Un tel système pourrait révéler, par exemple, si un médicament destiné à traiter un organe aura des effets indésirables sur un autre.

« Certains de ces effets sont très difficiles à prédire à partir de modèles animaux car les situations qui les mènent sont idiosyncratiques », explique Linda Griffith, l’une des auteurs de l’étude. « Avec notre puce, vous pouvez distribuer un médicament, puis rechercher les effets sur d’autres tissus et mesurer l’exposition et comment il est métabolisé. »

Ces puces pourraient également être utilisées pour évaluer des médicaments d’anticorps et d’autres immunothérapies, qui sont difficiles à tester complètement chez les animaux car ils sont conçus pour interagir avec le système immunitaire humain.

Lors du développement d’un nouveau médicament, les chercheurs identifient des cibles médicamenteuses en fonction de ce qu’ils savent de la biologie de la maladie, puis créent des composés qui affectent ces cibles. Les tests précliniques chez les animaux peuvent fournir des informations sur la sécurité et l’efficacité d’un médicament avant le début des tests chez l’homme, mais ces tests peuvent ne pas révéler les effets secondaires potentiels, dit Griffith. En outre, les médicaments qui agissent sur les animaux échouent souvent dans les essais chez l’homme.

Des complications peuvent également survenir en raison de la variabilité entre les patients individuels, y compris leurs antécédents génétiques, les influences environnementales, les modes de vie et d’autres médicaments qu’ils peuvent prendre. «La plupart du temps, vous ne voyez pas de problèmes avec un médicament, en particulier quelque chose qui peut être largement prescrit, jusqu’à ce qu’il soit commercialisé», explique Griffith.

Dans le cadre d’un projet mené par l’Agence de projets de recherche avancée de la Défense (DARPA), Griffith et ses collègues ont décidé de poursuivre une technologie qu’ils appellent un «physiome sur une puce,» qui, selon eux, pourrait offrir un moyen de modéliser les effets potentiels des médicaments de manière plus précise et plus rapide. Pour y parvenir, les chercheurs ont besoin de nouveaux équipements – une plateforme qui permettrait aux tissus de se développer et d’interagir les uns avec les autres – ainsi que des tissus artificiels qui imiteraient fidèlement les fonctions des organes humains.

Une puce microfluidique reproduit la jonction neuromusculaire

Avant que ce projet ne soit lancé, personne n’avait réussi à connecter plus de quelques types de tissus différents sur une plate-forme. De plus, la plupart des chercheurs travaillant sur ce type de puce travaillaient avec des systèmes microfluidiques fermés, qui permettent au fluide d’entrer et de sortir mais n’offrent pas un moyen facile de manipuler ce qui se passe à l’intérieur de la puce. Ces systèmes nécessitent également des pompes externes.

L’équipe du MIT a décidé de créer un système ouvert, qui supprime essentiellement le couvercle et facilite la manipulation du système et la suppression des échantillons pour analyse. Leur système, adapté de la technologie précédemment développée et commercialisée par CN BioInnovations au Royaume-Uni, intègre également plusieurs pompes embarquées capables de contrôler le flux de liquide entre les «organes», répliquant la circulation sanguine, les cellules immunitaires et des protéines à travers le corps humain. Les pompes permettent également d’évaluer des tissus plus gros, par exemple des tumeurs dans un organe.

Les chercheurs ont créé plusieurs versions de leur puce, reliant jusqu’à 10 types d’organes: foie, poumon, intestin, endomètre, cerveau, cœur, pancréas, rein, peau et muscle squelettique. Chaque « organe » est constitué de grappes de 1 million à 2 millions de cellules. Ces tissus ne reproduisent pas l’organe entier, mais ils remplissent plusieurs de ses fonctions importantes. De manière significative, la plupart des tissus proviennent directement d’échantillons de patients plutôt que de lignées cellulaires qui ont été développées pour un usage en laboratoire. Ces «cellules primaires» sont plus difficiles à travailler, mais offrent un modèle plus représentatif de la fonction des organes, dit Griffith.

En utilisant ce système, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient administrer un médicament au tissu gastro-intestinal, imitant l’ingestion orale d’un médicament, puis observer le transport du médicament dans d’autres tissus et être métabolisé. Ils pourraient mesurer où les médicaments sont allés, les effets des médicaments sur différents tissus, et comment les médicaments ont été ventilés. Dans une publication connexe, les chercheurs ont modélisé comment les médicaments peuvent provoquer un stress inattendu sur le foie en rendant le tractus gastro-intestinal «fuyant», permettant aux bactéries d’entrer dans la circulation sanguine et de produire une inflammation dans le foie.

Griffith croit que les applications les plus immédiates de cette technologie impliquent la modélisation de deux à quatre organes. Son laboratoire est en train de développer un système modèle pour la maladie de Parkinson incluant le cerveau, le foie et le tissu gastro-intestinal, qu’elle prévoit d’utiliser pour étudier l’hypothèse que les bactéries présentes dans l’intestin peuvent influencer le développement de la maladie de Parkinson.

D’autres applications comprennent la modélisation des tumeurs qui se métastasent à d’autres parties du corps, dit-elle.

« Un avantage de notre plate-forme est que nous pouvons l’augmenter ou la baisser et adapter à beaucoup de configurations différentes », dit Griffith. « Je pense que le domaine va traverser une période de transition au cours de laquelle nous commencerons à obtenir plus d’information sur un système à trois ou quatre organes, et cela deviendra compétitif en termes de coûts parce que l’information que vous obtenez a beaucoup plus de valeur ».

Les Européens s’intéresse aussi a ce domaine. En effet, un communiqué de juin 2015, annonce déjà un projet similaire qui a été financé à hauteur de 1,4 million d’euros par l’Union européenne. DARPA était déjà également dans la course pour un usage militaire et voulait produire dix systèmes organiques différents sur des puces dont objectif était de pouvoir tester des traitements contre les conséquences d’incidents nucléaires ou biologiques.

Il n’est donc pas surprenant que cette recherche a été financée par l’U.S. Army Research Office et DARPA.

Phys.org, MIT News