Mini laboratoires de cellules souches

Les thérapies par cellules souches sont souvent présentées comme l'avenir de l'ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative. Mais l'un des défis du développement de telles thérapies est de créer un environnement dans lequel les cellules souches peuvent se développer. Un obstacle supplémentaire consiste à concevoir un véhicule pour livrer des cellules souches à leur cible, sans être détectées par le système immunitaire du corps. Aujourd'hui, des scientifiques de la Northwestern University ont conçu un laboratoire miniature sous la forme d'un petit sac semblable à un gel. Ils ont réussi à faire pousser des cellules souches dans le sac, fournissant des protéines et des nutriments aux cellules à travers la membrane du sac. Les chercheurs disent que le sac peut agir comme un système de livraison pour les cellules souches et d'autres médicaments, les protégeant jusqu'à ce qu'ils atteignent leur cible. Samuel Stupp , chercheur principal et professeur au conseil d'administration de la science et de l'ingénierie des matériaux, de la chimie et de la médecine à Northwestern, affirme que la découverte pourrait avoir des applications prometteuses en thérapie cellulaire et en médecine régénérative.

Mini-labo : Ce petit sac, fabriqué à partir d'une combinaison de polymères et de solutions moléculaires, peut instantanément encapsuler des cellules souches. Le sac peut être utilisé comme un laboratoire miniature où les cellules souches peuvent se développer, ou comme véhicule d'administration de divers médicaments, les protégeant de la réponse immunitaire du corps jusqu'à ce que le sac atteigne sa cible.

Vous pourriez transplanter ces sacs à l'intérieur d'un patient, dit Stupp. Et dans le sac, les cellules seraient protégées, jusqu'à ce qu'elles s'établissent davantage dans un organe ou un tissu. Ensuite, le sac devrait pouvoir se biodégrader.

L'équipe a développé le sac après des mois de mélange de diverses solutions moléculaires.

Lorsque nous mélangeions des solutions, nous obtenions parfois une solution trouble ou des précipités, mais rien ne nous paraissait intéressant, explique Stupp. Et un bon jour, mon postdoc est entré dans mon bureau avec un sac, et j'ai su que nous avions quelque chose de bien. Et puis nous avons passé plus d'un an à essayer de comprendre ce qui s'était passé.

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• Voyez comment les sacs sont fabriqués et suturés.

Les chercheurs ont développé le sac à partir d'une combinaison de deux molécules : un peptide amphophile (PA), une molécule synthétique que le laboratoire de Stupp a développée il y a sept ans, et l'acide hyaluronique (HA), une molécule présente dans les articulations et le cartilage. L'équipe a d'abord versé la solution de PA dans un grand flacon, puis a ajouté la solution de HA. Presque instantanément, les deux liquides ont commencé à se solidifier au point de contact.

En examinant de plus près l'interaction, Stupp a découvert que les molécules de PA plus légères entouraient les molécules de HA, les scellant pour créer une seule poche ou sac. Fait intéressant, le sac a continué de croître même après sa formation, s'étendant et créant une membrane plus épaisse plus il restait en solution. Les chercheurs ont arrêté sa croissance en retirant simplement le sac du flacon avec une pince à épiler.

Mais pourquoi exactement ces molécules interagissent-elles si fortement ? Stupp explique que les molécules de PA sont particulièrement amorcées pour former des structures solides. En solution liquide, les molécules de PA détiennent une charge positive uniforme, se repoussant essentiellement et restant sous forme liquide. Cependant, dès qu'il entre en contact avec une solution chargée négativement comme l'HA, les molécules de PA ne se repoussent pas autant et elles commencent automatiquement à former des fibres nanométriques.

C'est une réaction très puissante, dit Stupp. Ces molécules veulent cristalliser, et lorsqu'elles voient de l'acide hyaluronique, elles tissent un tissu de fibres dans le plan de contact entre les liquides.

De plus, après la formation du sac, cela crée un énorme déséquilibre de la charge électrique, qui agit pour pomper tout HA ajouté à travers la membrane du sac. Cette action de pompage met davantage de molécules d'HA en contact avec les molécules de PA et, par conséquent, a découvert l'équipe, le sac a continué de croître jusqu'à quatre jours en solution. Stupp dit que l'équipe peut adapter la taille et l'épaisseur du sac en le laissant simplement en solution pendant différentes durées.

Dans une deuxième série d'expériences, l'équipe a combiné des cellules souches avec la solution de HA, puis a versé le mélange dans un flacon contenant des molécules de PA. Cette fois, les molécules de PA ont encapsulé à la fois les molécules de HA et les cellules souches. Les chercheurs ont ajouté des protéines spécifiques à la solution et ont découvert qu'elles pénétraient la membrane du sac malgré son épaisseur. Ces protéines ont stimulé la différenciation des cellules souches en cartilage, créant ainsi un laboratoire miniature de cellules souches à l'intérieur du sac.

Stupp dit que de tels sacs peuvent fournir des environnements clos et sûrs dans lesquels cultiver des cellules souches avant de les transplanter dans le corps. De plus, alors que les protéines étaient capables de traverser la membrane du sac, Stupp dit que les cellules immunitaires seraient trop grandes pour pénétrer, empêchant le sac et son contenu d'être détruits avant de pouvoir agir sur leur cible.

Stupp dit qu'en tant que véhicule d'administration, les sacs peuvent être suffisamment petits pour voyager dans la circulation sanguine, ou suffisamment robustes pour être suturés sur un tissu ou un organe cible.

Au cours de la prochaine année, l'équipe prévoit de cultiver d'autres cellules dans ces sacs et d'étudier la croissance de tumeurs, par exemple, en réaction à des médicaments ou des molécules spécifiques.

Vous pouvez également avoir des colonies de différentes cellules dans différents sacs ensemble – une framboise de sacs – et vous pouvez les exposer à plusieurs signaux, explique Stupp. Ce qui pourrait être utile en biologie cellulaire, en étudiant les signaux entre les cellules dans un environnement tridimensionnel.

Jacques Boulanger , directeur du Michigan Nanotechnology Institute for Medicine and Biological Sciences, a déclaré que la découverte de l'équipe pourrait avoir des implications importantes dans l'ingénierie tissulaire. Un avantage majeur est la capacité d'organiser potentiellement les cellules en structures uniques, dit-il. Il offre le potentiel de développer des structures tissulaires spécialisées… une réalisation très impressionnante.

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