Solutions synthétiques pour des tests de drogues éthiques et efficaces

Améliorer la qualité de vie humaine grâce à des traitements médicamenteux est une question complexe. La certification des médicaments, notamment en matière de sécurité et de fiabilité, nécessite une longue série de tests et d’approbations réglementaires avant que le médicament ne soit accessible à tous.

Le dépistage des drogues est remis en question par des préoccupations éthiques et biologiques. Tester de nouveaux médicaments chez l’homme fait généralement partie d’un essai clinique et a lieu vers la fin du parcours d’un médicament vers une utilisation publique. De nombreuses expérimentations animales avaient déjà été réalisées. Les appels à l’élimination progressive des tests sur les animaux se multiplient, en partie à cause des différences entre la biologie animale et humaine. En termes simples, ce n’est pas parce que quelque chose fonctionne chez la souris que cela fonctionnera chez l’humain.

Un groupe de chercheurs universitaires de diverses institutions s’est associé à Jeff Schultz de Virginia Tech pour trouver une solution capable de produire des résultats à l’échelle humaine à l’aide d’outils synthétiques. Leur approche ne nécessite ni sujets humains ni animaux. Au lieu de cela, il exploite les nouvelles technologies pour créer des environnements de test hautement personnalisables. Les médicaments peuvent être testés sur des cellules et non sur des êtres vivants.

L’équipe est financée par une subvention de 1,8 millions de dollars des National Institutes of Health (NIH) et se compose de :

• Amrinder Nain, professeur de génie mécanique à Virginia Tech
• Présidents Rafael Davalos, Margaret P. et John H. Weitnauer Jr. à Georgia Tech
• Seemantini Nadkarni, professeur agrégé, Harvard Medical School et Massachusetts General Hospital
• Jeff Schultz, co-fondateur de la société de microfluidique imprimée en 3D Phase Inc., qui a également obtenu trois diplômes du Département de science et d’ingénierie des matériaux de Virginia Tech

Intrusion dans le cerveau

Les barrières physiologiques sont répandues dans le corps et l’une de ces barrières, appelée barrière hémato-encéphalique, consiste en un réseau de vaisseaux sanguins et de tissus. Sa fonction est de permettre aux substances utiles telles que l’eau et l’oxygène de pénétrer dans le cerveau, mais d’empêcher l’entrée des substances nocives qui pourraient entraîner des maladies ou des tumeurs. Recréer cet environnement complexe de test de médicaments s’est avéré un défi, et il n’est pas rare que des essais cliniques échouent une fois qu’ils quittent le laboratoire.

Les produits thérapeutiques échouent dans les essais cliniques parce qu’ils ne peuvent pas traverser la barrière hémato-encéphalique. La réalité est que les appareils développés en laboratoire ne fonctionnent pas et laissent trop passer. Cela fournit de fausses informations selon lesquelles les molécules peuvent pénétrer, et lorsque vous participez à un essai clinique, les médicaments échouent parce que les conditions du cerveau humain n’ont pas été correctement reproduites.

Rafael Davalos, Géorgie Tech

L’équipe aborde le problème en utilisant la méthode d’impression 3D exclusive de Phase, créant des microfluidiques avec des résolutions auparavant inaccessibles, qui sont également hautement reproductibles et évolutives. La microfluidique est un dispositif remarquablement petit qui peut être utilisé pour manipuler des cellules et des fluides afin de créer un « organe sur puce » qui imite le comportement et la fonction des organes humains. Bien que ce projet se concentre sur la barrière hémato-encéphalique, la technologie de base a de vastes applications pour d’autres organes tels que le foie, les poumons et la peau.

Schultz a passé sa carrière à inventer et à mettre à l’échelle des techniques d’impression 3D pour les startups et les sociétés internationales. Fort de cette expérience, il s’est tourné vers l’application de la flexibilité de l’impression 3D au monde biomédical.

“Nous construisons quelque chose qui imite la géométrie du corps de manière plus réaliste que d’autres microfluidiques”, a déclaré Schultz. « L’utilisation de la liberté de conception offerte par l’impression 3D nous permet de créer des appareils présentant la même courbure, la même taille de veine et la même fonctionnalité que le corps humain. Nous pouvons installer des valves en forme de cœur, habituées aux contraintes mécaniques pulsées. Cela nous donne la possibilité d’obtenir des résultats plus proches de la réalité que si les cellules étaient à plat dans une assiette. Cela se fait avec d’autres dispositifs microfluidiques conventionnels mais n’a pas encore été appliqué à la barrière hémato-encéphalique.

Dispositifs synthétiques et cellules vivantes

Schultz et Davalos ont déjà travaillé ensemble sur de nouvelles méthodes d’impression 3D de dispositifs médicaux utilisant des matériaux qui posaient auparavant problème dans les études sur les médicaments. Dans la première phase de ce projet, ils ont développé un moyen d’imprimer en 3D du polydiméthylsiloxane (PDMS), un polymère de silicone qui pourrait être utilisé pour imiter la barrière hémato-encéphalique. Ce projet a reçu 173 000 $ du NIH.

“Le défi que nous voulions résoudre concernait les matériaux”, a déclaré Schultz. « Il n’existait aucun matériau pouvant être imprimé en 3D pour la microfluidique et qui était généralement considéré comme sans danger pour les cellules. Le PDMS était utilisé depuis plus de deux décennies mais n’était pas imprimable en 3D. Nous avons décidé de développer une technologie pour imprimer ce matériau en 3D. Le NIH nous a financé pour la première phase du projet.

Le matériau devait être sans danger pour les cellules afin de permettre aux cellules de se développer sur la plate-forme et de créer des conditions permettant de tester la viabilité de divers médicaments. Pour créer une barrière hémato-encéphalique artificielle, les cellules sanguines et tissulaires qui forment la barrière dans un corps vivant ont été cultivées sur la pièce imprimée en 3D, d’où le terme « organe sur puce ». L’avantage de l’impression 3D est que l’échafaudage crée différentes voies et architectures, ce qui peut permettre d’adapter la barrière hémato-encéphalique synthétique à celle du patient.

Après avoir connu le succès lors de la première phase, Schultz et Davalos ont vu des opportunités dans l’expansion du projet. Amrinder Nain possédait l’expertise et les outils nécessaires pour cette tâche et avait déjà travaillé avec Davalos.

L’équipe de Davalos a développé des plates-formes supplémentaires d’organes sur puce pour tester le comportement des processus biologiques à petite échelle. Philip Graybill, un récent diplômé de Virginia Tech dans l’équipe de Davalos, s’est concentré sur le développement de tels modèles microfluidiques de la barrière hémato-encéphalique et sur la manière dont les cellules individuelles réagissent aux signaux électromécaniques à l’aide de la plateforme de nanofibres de Nain. Grâce à leur collaboration, Graybill a vu une opportunité de combiner une technologie avec une autre pour créer un modèle plus précis de ce qui se passe dans le cerveau.

Créer un réseau

La spécialité de Nain est la recherche sur les membranes de nanofibres, qui fonctionnent de manière similaire aux tissus vivants et sont constituées d’un réseau de fibres filées qui s’entrecroisent à l’échelle nanométrique. Ces membranes sont devenues la clé du prochain développement du dispositif et ont aidé l’équipe à recevoir une deuxième ronde de financement du NIH. Le groupe de Davalos et Nain a récemment publié la première barrière hémato-encéphalique (BBB) ​​ultrafine et ultraporeuse, qui est environ 70 % plus fine que les autres méthodes existantes pour l’étudier.

« Ce qui est vraiment intéressant dans l’utilisation du réseau de fibre optique d’Amrinder (Nain), c’est qu’il est si fin que vous pouvez avoir des cellules des deux côtés qui peuvent communiquer », a déclaré Davalos. “Cela crée des liens étroits entre les cellules pour empêcher la pénétration des produits thérapeutiques.”

C’est exactement le niveau de contrôle nécessaire pour concilier les résultats des essais cliniques. Avec ce développement, l’équipe a fourni aux futurs chercheurs un outil fiable et plus rapide pour tester des médicaments dans des environnements physiologiquement pertinents tout en minimisant les modèles animaux.

“Il existe une membrane physique dans la barrière hémato-encéphalique”, a déclaré Schultz. « La membrane en nanofibres d’Amrinder (Nain) imite mieux l’épaisseur et la porosité du mécanisme d’un vrai cerveau que la plupart des imitateurs utilisés dans des dispositifs similaires. Lorsque nous avons proposé la phase deux au NIH, nous avons proposé d’utiliser ces membranes, qui ont été intégrées à notre précédent dispositif microfluidique PDMS.

Pour développer l’approche organe sur puce, chaque membre de l’équipe a utilisé ses domaines d’expertise. Le processus se déroule généralement comme ceci :

• L’équipe de Nain produit des imitations de membranes ultra fines et nanoporeuses.
• L’équipe de Schultz obtient la membrane, en construit un modèle, puis utilise un système développé par l’équipe de Nadkarni à Harvard pour tester le comportement du matériau.
• Les pièces finies sont envoyées à l’équipe de Davalos pour les équiper de cellules et réaliser les tests biologiques.

“Les technologies d’organes sur puce devraient devenir des protocoles de laboratoire standards au 21e siècle”, a déclaré Nain. « Nos avancées technologiques ont permis de créer le soutien-gorge le plus fin du marché. Dans les futures itérations de conception, nous prévoyons de prendre en compte les dimensions et les architectures du corps humain pour obtenir des résultats physiologiques dans un environnement de laboratoire. Si cela se réalise, cela transformera la façon dont nous testons les médicaments et étudions la bio-ingénierie et la biophysique.