Un petit appareil développé par des scientifiques du MIT et de l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie pourrait être utilisé pour améliorer la sécurité et l’efficacité des traitements de thérapie cellulaire pour les patients souffrant de lésions de la moelle épinière.

En thérapie cellulaire, les médecins créent des cellules souches pluripotentes induites en reprogrammant certaines cellules cutanées ou sanguines d’un patient. Pour traiter une lésion de la moelle épinière, ils inciteraient ces cellules souches pluripotentes à devenir des cellules progénitrices conçues pour se différencier en cellules de la moelle épinière. Ces précurseurs sont ensuite réimplantés chez le patient.

Ces nouvelles cellules peuvent régénérer une partie de la moelle épinière blessée. Cependant, les cellules souches pluripotentes qui ne se transforment pas complètement en cellules progénitrices peuvent former des tumeurs.

Cette équipe de recherche a développé un trieur de cellules microfluidique capable d’éliminer environ la moitié des cellules indifférenciées – celles qui ont le potentiel de devenir des tumeurs – en un seul lot sans endommager les cellules progénitrices entièrement formées.

Le dispositif à haut débit, qui ne nécessite aucun produit chimique spécial, peut trier plus de 3 millions de cellules par minute. De plus, les chercheurs ont montré qu’en connectant de nombreux appareils en série, plus de 500 millions de cellules par minute peuvent être triées, ce qui en fait une méthode plus viable pour améliorer un jour la sécurité des traitements de thérapie cellulaire.

De plus, la puce en plastique contenant le trieur de cellules microfluidiques peut être produite en série en usine à un coût très faible, ce qui rend le dispositif plus facile à mettre en œuvre à grande échelle.

« Même si vous disposez d’une thérapie cellulaire qui sauve des vies et qui fait des merveilles pour les patients, son impact peut être limité si vous ne pouvez pas la produire à moindre coût, de manière fiable et sûre. « Notre équipe est passionnée par ce problème – nous voulons rendre ces thérapies plus fiables et plus accessibles », déclare Jongyoon Han, professeur de génie électrique, d’informatique et de bio-ingénierie au MIT, membre du Research Laboratory of Electronics (RLE). et co-responsable du groupe de recherche CAMP (Critical Analytics for Manufacturing Personalized Medicine) de l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART).

Han est rejoint sur l’article par le co-auteur principal Sing Yian Chew, professeur de chimie, de génie chimique et de biotechnologie à la Lee Kong Chian School of Medicine and Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University à Singapour et chercheur principal du CAMP ; Co-auteurs principaux Tan Dai Nguyen, chercheur au CAMP ; Wai Hon Chooi, chercheur principal à l’Agence de Singapour pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) ; et Hyungkook Jeon, postdoctorant au MIT ; ainsi que d’autres à NTU et A*STAR. La recherche paraît aujourd’hui dans Médecine translationnelle avec cellules souches.

Réduire les risques

Le risque de cancer dû aux cellules souches pluripotentes induites indifférenciées reste l’un des défis les plus urgents de ce type de thérapie cellulaire.

« Même s’il existe une très petite population de cellules qui ne sont pas complètement différenciées, elles pourraient quand même se transformer en cellules cancéreuses », ajoute Han.

Les cliniciens et les chercheurs tentent souvent d’identifier et d’éliminer ces cellules en recherchant des marqueurs spécifiques sur leurs surfaces. Cependant, jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas réussi à trouver un marqueur spécifique de ces cellules indifférenciées. D’autres méthodes utilisent des produits chimiques pour détruire sélectivement ces cellules. Cependant, les techniques de traitement chimique peuvent être nocives pour les cellules différenciées.

Le trieur microfluidique à haut débit, capable de trier les cellules par taille, a été développé par l’équipe CAMP après plus d’une décennie de travail. Auparavant, il était utilisé pour trier les cellules immunitaires et les cellules stromales mésenchymateuses (un autre type de cellules souches), et maintenant l’équipe étend son utilisation à d’autres types de cellules souches, telles que les cellules souches pluripotentes induites, explique Han.

« Nous nous intéressons aux stratégies régénératrices visant à améliorer la réparation des tissus après des lésions de la moelle épinière, car ces maladies entraînent des déficiences fonctionnelles dévastatrices. Malheureusement, il n’existe actuellement aucune approche thérapeutique régénérative efficace pour les lésions de la moelle épinière », explique Chew. « Les cellules progénitrices de la moelle épinière dérivées de cellules souches pluripotentes sont prometteuses car elles peuvent générer tous les types de cellules trouvées dans la moelle épinière pour restaurer la structure et la fonction des tissus. Pour utiliser efficacement ces cellules, il faudrait d’abord s’assurer de leur fonctionnement : « La sécurité, c’est le but de notre travail. »

L’équipe a découvert que les cellules souches pluripotentes ont tendance à être plus grandes que les cellules progénitrices qui en dérivent. Avant la différenciation, on pense que le noyau d’une cellule souche pluripotente contient un grand nombre de gènes qui n’ont pas été réduits au silence ni réprimés. À mesure qu’elle se différencie pour une fonction spécifique, la cellule supprime de nombreux gènes dont elle n’a plus besoin, ce qui entraîne un rétrécissement significatif du noyau cellulaire.

Le dispositif microfluidique utilise cette différence de taille pour trier les cellules.

Tri en spirale

Les canaux microfluidiques de la puce en plastique de taille quart forment une entrée, une spirale et quatre sorties qui éjectent des cellules de différentes tailles. Étant donné que les cellules sont pressées à travers la spirale à une vitesse très élevée, diverses forces, notamment les forces centrifuges, agissent sur les cellules. Ces forces neutralisent et concentrent les cellules en un point spécifique du flux de fluide. Ce point de focalisation dépend de la taille des cellules, les triant efficacement via des sorties séparées.

Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient améliorer le fonctionnement du trieur en le faisant fonctionner deux fois, d’abord à une vitesse inférieure pour permettre aux cellules plus grosses de coller aux parois et de trier les cellules plus petites, puis à une vitesse plus élevée pour que les plus grandes cellules trient.

D’une certaine manière, l’appareil fonctionne comme une centrifugeuse, mais le trieur microfluidique ne nécessite aucune intervention humaine pour sélectionner les cellules triées, ajoute Han.

Les chercheurs ont montré que leur appareil pouvait éliminer environ 50 pour cent des cellules les plus grosses en un seul passage. Ils ont mené des expériences pour confirmer que les cellules plus grosses retirées étaient en réalité associées à un risque plus élevé de tumeurs.

« Même si nous ne pouvons pas éliminer 100 % de ces cellules, nous pensons toujours que cela réduira considérablement le risque. Espérons que le type cellulaire d’origine soit suffisamment bon pour que nous n’ayons pas trop de cellules indifférenciées. « Ensuite, ce processus pourrait contribuer à rendre ces cellules encore plus sûres », dit-il.

Il est important de noter que le trieur microfluidique peu coûteux, qui peut être fabriqué à grande échelle à l’aide de techniques de fabrication standard, n’utilise aucun filtrage. Les filtres peuvent se boucher ou se briser, ce qui signifie qu’un appareil sans filtre peut être utilisé beaucoup plus longtemps.

Maintenant qu’ils ont connu un succès à petite échelle, les chercheurs se tournent vers des études plus vastes et des modèles animaux pour voir si les cellules purifiées fonctionnent mieux in vivo.

Les cellules indifférenciées peuvent devenir des tumeurs, mais elles peuvent également avoir d’autres effets aléatoires sur l’organisme. Par conséquent, l’élimination d’un plus grand nombre de ces cellules pourrait augmenter l’efficacité des thérapies cellulaires et améliorer leur sécurité.

« Si nous pouvons démontrer de manière convaincante ces avantages in vivo, l’avenir pourrait réserver des applications encore plus intéressantes pour cette technique », déclare Han.

Cette recherche est soutenue en partie par la National Research Foundation de Singapour et l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie.



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