Le cochon d'Inde en silicone

À première vue, la puce de Michael Shuler pourrait passer pour n'importe quelle petite plaque de silicium extraite d'un ordinateur ou d'un téléphone portable. Ce qui le rend d'autant plus déplacé sur une paillasse dans le laboratoire du chercheur de l'Université Cornell, entouré de boîtes de Pétri, de béchers et d'autres bio-encombrement et monté dans un plateau en plastique comme une souris disséquée. La puce semble être sur une sorte de support de vie, avec un fluide rosâtre pompant dedans à travers des tubes. Shuler pointe méthodiquement les composants de la puce avec un crayon : voici le foie, les poumons sont là-bas, c'est de la graisse. Il injecte ensuite un médicament expérimental dans le faux sang qui circule à travers ces organes et tissus - en fait de minuscules labyrinthes de tuyaux et de chambres torsadés bordés de cellules vivantes. Le composé réagira avec d'autres produits chimiques, s'accumulera dans certains organes et traversera rapidement d'autres. Après plusieurs heures, Shuler et son équipe seront plus près de répondre à une question clé : le composé, lorsqu'il est administré à un humain réel, est-il susceptible de faire plus de mal que de bien ?

Ce soi-disant animal sur puce a été conçu pour aider à surmonter un énorme obstacle à la découverte de nouveaux médicaments : il n'existe actuellement aucun moyen rapide et fiable de prédire si un composé expérimental aura des effets secondaires toxiques - s'il rendra les gens malades au lieu de fabriquer des bien les. Les tests sur les animaux sont le meilleur que les fabricants de médicaments puissent faire, mais ils sont lents, coûteux, souvent inexacts et répréhensibles pour beaucoup. Pour minimiser le nombre d'expérimentations animales, les sociétés pharmaceutiques sélectionnent régulièrement les candidats-médicaments à l'aide de cultures cellulaires, essentiellement des amas de cellules vivantes humaines ou animales poussant dans des boîtes de Pétri ou des tubes à essai. L'approche est relativement bon marché et facile, mais elle ne donne qu'une prédiction floue de ce qui arrivera à un composé lors du voyage détourné à travers les tissus et les organes d'un animal.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juin 2004

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Shuler fait partie d'une poignée de chercheurs qui développent des cultures cellulaires plus sophistiquées qui simulent les organes et les tissus complexes du corps. L'ingénieur tissulaire du MIT Linda Griffith, pour sa part, a construit une puce qui imite certaines des fonctions d'un foie, tandis que Shuichi Takayama, ingénieur biomédical à l'Université du Michigan, en a construit une qui imite le comportement du système vasculaire. (voir Autres efforts d'animaux sur puce, ci-dessous). Mais alors que de tels efforts ont produit des analogues convaincants de parties de corps humains ou animaux, Shuler est allé plus loin. En collaboration avec son collègue Greg Baxter, qui a lancé Hurel, basé à Beverly Hills, en Californie, pour commercialiser la technologie, Shuler a combiné des répliques de plusieurs organes d'animaux sur une seule puce, créant un substitut approximatif pour un mammifère entier. D'autres versions des puces de Shuler tentent d'aller encore plus loin, en utilisant des cellules humaines pour reproduire plus fidèlement les effets d'un composé dans le corps.

Les sociétés pharmaceutiques sont intéressées, et ce n'est pas étonnant : elles fabriquent régulièrement des milliers, voire des dizaines de milliers, de composés dans l'espoir d'en trouver un qui soit efficace contre une cible particulière. Des puces telles que Shuler et Baxter pourraient représenter un moyen bon marché, rapide et précis d'éliminer les composés qui finiraient par s'avérer toxiques, permettant aux entreprises d'économiser des années et des millions de dollars sur le développement de médicaments sans valeur. Selon une étude récente du Center for the Study of Drug Development de l'Université Tufts, pour chaque médicament mis sur le marché, l'industrie pharmaceutique dépense en moyenne 467 millions de dollars en tests humains - la grande majorité de l'argent allant aux médicaments qui échouent, soit parce que ils ne sont pas efficaces ou parce qu'ils s'avèrent toxiques. Si davantage d'échecs pouvaient être identifiés avant même le début des tests sur les animaux, les entreprises pourraient consacrer plus de temps et d'argent aux gagnants. Tout le monde dans l'industrie espère avoir des substituts pour les animaux et les humains lorsqu'il s'agit de tester des composés, déclare Jack Reynolds, responsable des sciences de la sécurité chez Pfizer, la plus grande entreprise pharmaceutique au monde. C'est le genre de technologie que nous voudrions dans notre boîte à outils.

AUTRES EFFORTS D'ANIMAUX SUR PUCE
Chef de projet	Grouper	La technologie
Aube Applegate	Regenemed (San Diego, Californie)	Puces garnies de tissu hépatique humain pour le dépistage de drogues
Linda Griffith	AVEC (Cambridge, MA)	Foie sur puce pour le dépistage de drogues
Paul Kosnik	Genèse des tissus (Honolulu, HI)	Puces avec des cellules vasculaires et ligamentaires pour développer le remplacement des tissus
Shuichi Takayama	Université du Michigan (Ann Arbor, Michigan)	Puces de culture cellulaire avec des canaux qui imitent le système vasculaire
William Wang	Pharmacom (Iowa City, IA)	Puces de dépistage de médicaments qui incluront des cellules du cerveau et d'autres organes

Pilules empoisonnées

Les boîtes à outils des développeurs de médicaments contiennent déjà une multitude de tests de culture cellulaire simples visant à prédire rapidement quels médicaments potentiels auront des effets secondaires toxiques. Le problème avec ces tests est qu'ils sont souvent trop Facile. Un scénario typique : les chercheurs injectent une solution contenant un médicament expérimental dans des boîtes de Pétri où des cellules vivantes récoltées dans les poumons d'un rat flottent dans un bouillon riche en nutriments. Si les cellules meurent, les chercheurs déposent le composé et en essaient un autre ; si les cellules survivent, elles commencent le processus long et coûteux de test du composé sur des souris, des rats et d'autres animaux. Mais l'échec du composé à tuer les cellules pulmonaires offre peu d'assurance qu'il ne rendra pas les gens malades.

Lorsqu'une personne prend un médicament, son principe actif se lance dans une course folle pour atteindre les cellules cibles : il peut être absorbé par l'intestin, décomposé par les enzymes du foie, accumulé pendant des semaines par les cellules adipeuses, filtré par un cerveau. membrane, et tourbillonné à travers toute l'épreuve encore et encore par le sang. Lorsque cela se produit, un composé autrement inoffensif peut s'accumuler dans un organe particulier jusqu'à ce qu'il atteigne des niveaux toxiques. Ou il peut être transformé en un composé complètement différent, qui est lui-même toxique. Reynolds de Pfizer estime que, parmi les candidats-médicaments qui s'avèrent dangereux, environ 40 % acquièrent leur toxicité après avoir été convertis en d'autres composés dans le corps.

L'une des raisons pour lesquelles les tests de culture cellulaire conventionnels induisent souvent les chercheurs en erreur est qu'ils ne présentent pas le mélange complexe d'enzymes et d'autres produits chimiques qu'un médicament peut rencontrer et avec lesquels réagir dans les divers tissus du corps. Et les cultures cellulaires simples ne révèlent pas la quantité de médicament qui parvient réellement aux différents types de cellules, sous quelle forme et pendant combien de temps. En effet, près de la moitié des médicaments qui semblent sûrs dans les tests de culture cellulaire s'avèrent toxiques dans les tests sur les animaux ; et encore plus échouent lorsqu'ils rencontrent les tissus et organes complexes des humains. Les chercheurs espèrent, cependant, que les cultures cellulaires qui simulent mieux les conditions dans le corps feront un bien meilleur travail pour repérer les médicaments toxiques, réduisant ainsi le recours aux tests sur les animaux et les humains. Le Saint Graal de l'industrie est de pouvoir prédire la toxicité d'une culture cellulaire, explique Peter Lord, responsable de la toxicologie mécaniste en développement préclinique chez Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development.

petite plomberie

Michael Shuler est un professeur de génie chimique dégingandé de 57 ans qui nourrit un intérêt secondaire pour les processus biologiques depuis le collège. En 1989, il s'était intéressé aux tests de toxicité, et il s'était interrogé sur le manque de fiabilité des cultures cellulaires conventionnelles lorsqu'une idée lui est venue : pourriez-vous faire une culture cellulaire qui reproduise le voyage à travers les différents organes ? Il a reconnu qu'il s'agissait d'un problème de génie chimique : des chambres en verre garnies de différents types de cellules et reliées entre elles par des tubes et à une pompe qui envoyait du fluide à travers elles simuleraient un corps de manière beaucoup plus réaliste, et les tests les utilisant pourraient prédire ce qui se passerait. chez les animaux vivants avec beaucoup plus de précision.

Après plusieurs mois, Shuler et les étudiants avaient construit un ensemble de cellules et de plomberie sur un banc fournissant un modèle de travail brut d'un ensemble d'organes de mammifères. Cela fonctionnait en quelque sorte, mais Shuler savait qu'il y avait un gros problème avec sa fidélité : presque toute la chimie du corps a lieu dans des tissus remplis de minuscules canaux et chambres, où les réactions critiques dépendent de la capacité de divers produits chimiques à se concentrer dans certains lieux et diffuse dans d'autres, dépendant en partie de la géographie microscopique. Tout mélanger dans de grands béchers fausserait cet équilibre délicat. De plus, à cette taille, le système ne serait pas suffisamment pratique ou bon marché pour des tests à grande échelle.

Pendant ce temps, le biologiste moléculaire Greg Baxter venait de rejoindre le Centre de nanobiotechnologie de Cornell en tant que chercheur. Sa spécialité était la microfluidique, essentiellement la plomberie microscopique sur une puce. Le deuxième jour, il a boutonné Shuler dans son laboratoire, se demandant s'il avait des projets qui pourraient bénéficier de l'ultraminiaturisation. C'est drôle, tu devrais demander, dit Shuler.

Il n'a fallu que deux réunions pour élaborer la conception de base de la puce et un an pour produire le premier prototype. Pour construire l'un des appareils, les chercheurs ont creusé de minuscules tranchées qui ressemblent à de légères rayures dans une puce de silicium de la taille d'un ongle; ces tranchées servent de conduites de transport de fluide. Produire des fonctionnalités microfluidiques sur des puces pour tester des réactions chimiques et imiter des processus biologiques n'est pas nouveau. Mais en combinant leurs compétences en génie chimique et en microfabrication, Shuler et Baxter ajoutent une touche importante : ils ont conçu les tailles, les longueurs et la disposition de toutes les tranchées dans le but de reproduire fidèlement les flux de fluides et les expositions chimiques que subissent les cellules dans de vrais organes.

Les tranchées agissent comme des vaisseaux sanguins de substitution, transportant des produits chimiques à l'intérieur et entre les organes ersatz de la puce, qui sont eux-mêmes composés de tranchées étroitement spiralées ou serpentées en caillots denses d'environ un demi-centimètre de large. Des milliers de cellules vivantes sont fixées au sol des tranchées de chaque organe. Une pompe externe de la taille d'une brique fait circuler un fluide riche en nutriments, qui remplace le sang, à travers la puce. Lorsqu'un composé d'essai est ajouté au fluide, son parcours du silicium est à peu près analogue à ce qu'il subirait chez un mammifère vivant, grâce à 13 années passées à jouer avec la taille, le motif et les interconnexions de chaque organe, ainsi qu'avec les tailles et les formes des diverses tranchées. Nous voulions que l'environnement des cellules soit aussi réaliste que possible, de l'apport de nutriments et de l'élimination des déchets aux contraintes mécaniques qu'elle subit, explique Shuler.

Après qu'un composé de test ait circulé à travers la puce pendant plusieurs heures, les cellules de la puce sont surveillées, soit avec un microscope, soit via des capteurs intégrés qui peuvent tester l'oxygène et d'autres indicateurs. Les cellules absorbent-elles le composé ? Est-ce que ça les rend malades ou les tue ? Comme dans un animal réel, chaque organe ou tissu joue un rôle spécifique dans la puce. Le foie et l'intestin décomposent certains composés en molécules plus petites, par exemple, tandis que la graisse coincée non seulement avec des cellules, mais aussi avec un gel semblable à une éponge, retient souvent les composés, ce qui leur permet de s'échapper plus tard. Un organe ou un tissu cible est généralement inclus pour démontrer les effets ultimes du composé ; il peut s'agir d'une tumeur cancéreuse ou d'un tissu particulièrement vulnérable, comme les poumons ou la moelle osseuse.

Les puces, bien sûr, devront être testées de manière approfondie avant que les sociétés pharmaceutiques ne les utilisent à grande échelle. Pourtant, les premiers signes sont encourageants. Shuler a mené une expérience avec le naphtalène, un composé utilisé dans les boules à mites et les pesticides. Une exposition excessive provoque des lésions pulmonaires, mais vous ne le sauriez pas à partir des tests de culture cellulaire standard. C'est parce que le coupable n'est pas le naphtalène lui-même, mais plutôt deux produits chimiques produits par le foie lorsqu'il décompose le naphtalène. Si vous le saviez et que vous éclaboussiez ces sous-produits directement sur les cellules pulmonaires en culture, vous observeriez une réponse si sévère que vous concluriez que même une légère exposition au naphtalène est extrêmement dangereuse. Mais c'est faux aussi ; il s'avère que les cellules adipeuses retirent une grande partie des composés toxiques du système. La puce de Shuler imite de manière convaincante cette chaîne d'événements, donnant une mesure réaliste des dégâts.

Une simulation aussi précise promet d'aider les sociétés pharmaceutiques à améliorer leur sélection de candidats-médicaments et à perdre moins de temps et d'argent sur ceux qui échoueront finalement aux tests sur les animaux. Selon Baxter, les puces sont prêtes pour une telle application dès maintenant, et six grandes entreprises discutent actuellement avec Hurel de l'adoption de la technologie. Shuler, aidé par une équipe d'étudiants et de collaborateurs à Cornell et ailleurs, travaille à réduire et à automatiser davantage la technologie. L'objectif : une banque de 96 puces de la taille d'une feuille de papier qui se branche sur une configuration de laboratoire robotique qui ajoute très rapidement des médicaments à tester et surveille les résultats. Le système pourrait non seulement remplacer les cultures cellulaires conventionnelles, mais également réduire le recours aux expérimentations animales, dans lesquelles les chercheurs doivent utiliser un grand nombre d'animaux pour tester différentes doses d'un médicament et doivent surveiller ces animaux au fil du temps pour détecter des effets secondaires subtils. Nous parlons d'effectuer un test en un ou deux jours qui prendrait des mois avec des animaux, explique Shuler. Shuler prévoit un prix de production par puce d'environ 50 $ avec cellules, par rapport aux centaines, voire aux milliers de dollars qu'il faut pour acquérir et entretenir un seul animal de laboratoire.

Genre d'humain

Les puces qui reproduisent le fonctionnement des animaux seront probablement les premières versions de la technologie à avoir un impact commercial. Mais l'espoir est qu'une fois que ceux-ci s'avèrent prédire avec précision les résultats des tests sur les animaux, les versions humaines sur puce fourniront une bonne indication de la toxicité d'un médicament dans les essais humains.

L'expérimentation animale joue ce rôle maintenant, mais pas très bien. Quatre médicaments sur cinq qui réussissent les tests sur les animaux finissent par échouer dans les essais cliniques sur l'homme, généralement en raison de problèmes de sécurité. Une partie du problème est que les souris ne peuvent pas vous dire qu'elles ont des maux de tête, une vision floue ou des crampes d'estomac. Mais le plus gros problème est simplement que les organes des animaux et les processus qui s'y déroulent ne sont pas identiques à ceux des humains. Personne ne sait combien de médicaments qui auraient été sans danger pour les humains ont été abandonnés parce qu'ils ont rendu malades certains animaux. (La pénicilline, par exemple, est toxique pour les cobayes, mais heureusement, elle a également été testée sur des souris.)

Des puces contenant des tissus et des organes humains simulés pourraient également permettre aux chercheurs d'élaborer des schémas complexes de multimédicaments pour traiter diverses maladies sans soumettre les patients à des séries d'essais et d'erreurs angoissantes. Shuler, par exemple, se concentre sur les cocktails anticancéreux. Il incorpore des cellules humaines de tumeurs utérines ou du côlon dans ses puces, créant ainsi un modèle plus réaliste d'un type particulier de cancer. Il peut ensuite tester la capacité de diverses combinaisons de médicaments de chimiothérapie à tuer les cellules sans écœurer le reste du système. Pour trouver de bonnes thérapies combinées, vous devez effectuer de nombreux tests pour déterminer les bonnes doses et l'ordre dans lequel les médicaments sont administrés, explique-t-il. C'est le genre de problème que nous pouvons résoudre avec cette technologie.

Ni Baxter ni Shuler ne prétendent que l'animal sur puce est une sorte de panacée pour le processus complexe et extrêmement difficile de développement de médicaments. D'une part, les puces doivent encore prouver dans des tests à grande échelle qu'elles font vraiment un meilleur travail que les cultures cellulaires conventionnelles pour prédire la toxicité. Mais s'ils sont à la hauteur, les pilules que vous prendrez dans dix ans pourraient très bien arriver grâce aux sacrifices d'un rat de laboratoire en silicium.

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