microfluidique-organs-sur-puce221

AUTEURS

Écrit par Hadrien Mauriac sous la supervision de Guilhem Velve Casquillas et Christophe Pannetier.

Actualité en 2017 par Marjorie Metzger.

 

Hadrien Mauriac

Hadrien Mauriac étudiant à l’Ecole polytechnique X. Il a effectué des travaux de recherche en synthése photochimique et une recherche bibliographique poussée dans le domaine des organes sur puces.

 

Dr. Christophe Pannetier

Dr. Christophe Pannetier est directeur  de la division biologie moleculaire d’Elvesys. Il fut chercheur à pasteur et ancien chef de la R&D NRBC chez Thales Security Systems et pour la DGA.

 

Dr. Guilhem Velve Casquillas

Dr. Guilhem Velve Casquillas est CEO d’Elvesys et Co-fondateur de quatre entreprises innovantes. Il est ancien chercheur en biologie cellulaire (Institut Curie) et en microfluidique (CNRS –ENS).

Organes sur Puce  2016

INTRODUCTION SUR LES ORGANES SUR PUCE

microfluidique + organs sur puce

Alors qu’aujourd’hui, les entreprises pharmaceutiques dépensent de plus en plus d’argent, pour de moins en moins de médicaments sur le marché, il est devenu crucial de trouver une solution pour permettre d’accélérer la recherche. En effet, les tests sur des cultures de cellules, effectués dans des boites de Pétri, ne permettent pas de prouver l’efficacité d’un nouveau traitement: privées de leur environnement naturel, les cellules ne réagissent pas comme elles le font dans le corps humain. Par ailleurs, les tests sur les animaux, longs et coûteux, ne sont pas suffisants pour juger de l’efficacité d’un médicament sur le corps humain. Ainsi, de nombreux médicaments passent avec succès l’étape des tests sur les animaux, avant de s’avérer toxiques pour les humains. C’est dans ce contexte que sont apparus les premiers organes sur puce : des cultures de cellules, souvent en trois dimensions, qui reproduisent, grâce à la microfluidique, le fonctionnement d’un tissu ou d’une sous partie d’un organe. La recherche sur les organes sur puce a d’ores et déjà permis de développer de nombreuses puces microfluidiques simulant partiellement différents organes: foie, poumon, intestin etc… mais également des tumeurs sur puce. Ces dernières pourraient s’avérer très utiles pour tester de nouveaux médicaments contre le cancer, surtout liées à d’autres organes. Les multi-organes sur puce nous permettent, par ailleurs, de voir les effets secondaires des médicaments sur différents organes, et pas uniquement sur ceux visés par le traitement. L’objectif est donc de pouvoir lier un maximum de composants pour reproduire un Humain-sur-puce.

A terme, au delà des tests précliniques, les organes sur puce devraient permettre, à tous, d’avoir accès à un traitement individualisé en utilisant ses propres cellules pour tester les médicaments: c’est le principe de la médecine personnalisée. Dans cette review, on reviendra, dans un premier temps, sur les avantages et les inconvénients des organes sur puce microfluidique, puis on fera un tour des différents organes sur puce existants aujourd’hui, avant de s’attarder sur les problèmes qu’il reste à régler pour que cette technologie puisse remplacer entièrement les tests sur les animaux.

microfluidique + organs sur puce

Avantages et inconvénients
des organes sur puce

human-on-chips-body-on-chips-organs-on- chips,- microfluidics

Avantages
des organes sur puce

  • UN ACCELERATEUR DE RECHERCHE

Tout d’abord, le principal avantage de ces puces est d’être reproductibles par milliers à très faible coût ce qui peut notamment permettre de tester les médicaments sur une large gamme de concentrations. Cet avantage permettra surtout aux organes sur puce d’être un formidable accélérateur de recherche. En effet, dans le cadre du développement d’un nouveau traitement, il sera possible d’effectuer les tout premiers tests à de nombreuses reprises sans se soucier d’éventuelles difficultés économiques. De plus, ces tests ne seront pas non plus confrontés au problème éthique que rencontrent les tests effectués sur les animaux, très largement contestés aujourd’hui [2]. Les élevages d’animaux dont la vie est entièrement dédiée à la recherche médicale font de plus en plus débat et une des conséquences du développement de ces organes sur puce sera d’y mettre fin.

 

  • MICRO-ENVIRONNEMENT BIEN REPRODUIT

Par rapport aux boites de Pétri, le micro-environnement des cellules humaines ( teneur en oxygène, température, pH…) est mieux reproduit dans une puce que dans une boite de Pétri, souvent grâce à un modèle en trois dimensions, ce qui est très important pour la fiabilité des tests effectués [3] [4]. Cependant, les organes sur puce sont plus intéressants que les cultures de cellules en trois dimensions traditionnelles car ces dernières ne permettent, par exemple, pas de soumettre les cellules à des gradients temporels de produits chimiques [5]. Il est également impossible de soumettre les cellules à des contraintes mécaniques reproduisant par exemple la respiration. On verra dans la suite que ceci a été réalisé dans le cadre des poumons sur puce. Ainsi, plus que son côté tri-dimensionnel, c’est surtout l’utilisation de la microfluidique qui rend ces puces si intéressantes et novatrices pour la recherche.

 

  • AVANTAGE TECHNOLOGIQUE

Le dernier avantage développé ici est technologique: les puces microfluidiques ont vocation à être simple d’utilisation, portable, de la taille d’une pièce de 1 euro et massivement reproductible. De par leur faible encombrement, on est aujourd’hui capable d’intégrer plusieurs systèmes microfluidiques sur une seule puce ce qui représente encore un gain de places, de composants et donc d’argent au final [6]. Ainsi, les puces microfluidiques ont de très nombreux avantages par rapport aux autres techniques existantes. Néanmoins, il reste quelques inconvénients inhérents à cette technologie.

human-on-chips-body-on-chips-organs-on- chips, - microfluidics

Inconvénients
des organes sur puce

  • Effets de surface
  • En raison des dimensions mises en jeu dans la microfluidique (de l’ordre de la centaine de micromètre), les effets de surface dominent assez largement les effets de volume. Bien que cela ait des avantages (pour le piégeage de molécules d’intérêt par exemple) cela a également les défauts qui y sont liés: ainsi la qualité des analyses peut être affectée par l’adsorption de produits d’intérêts sur les parois [7][5].

 

  • Peu de mélange en écoulement laminairePar ailleurs, pour les fluides envisagés, aux dimensions propres à la microfluidique, on aura toujours un nombre de Reynolds très petit devant 1 et par conséquent, l’écoulement dans les puces sera toujours laminaire. Cela nous permet, certes, d’avoir un contrôle poussé des conditions expérimentales, mais induit néanmoins un problème majeur: cet écoulement ne favorise pas les mélanges [7].
    • Pas si portatif

    Enfin, il convient de nuancer le caractère portatif des puces microfluidiques qui séduit. En effet, pour permettre des analyses fiables, on a parfois besoin d’outils volumineux ce qui peut être le cas pour le traitement des cellules souches pluripotentes induites, indispensable en vue de la médecine personnalisée. Néanmoins, ce dernier point pourrait se régler par le biais de l’intégration de systèmes de mesure directement dans la puce. En effet, le I-Wire heart-on-chip crée par Wiskwo & al. (2017) [8] par exemple intègre des systèmes de mesure des déformations ainsi que du potentiel electrique.

    Ces inconvénients sont communs à l’intégralité des organes sur puce car ils sont liés au dispositif même. Chacun d’eux présente ensuite quelques inconvénients qui leur sont propres et nous y reviendrons dans la suite. Néanmoins, ceux-ci sont largement compensés par les avantages offerts, notamment par rapport aux alternatives existantes.Peu de mélange en écoulement laminaire

microfluidique + organs sur puce

Les différents organes sur puce

Poumon sur puce

Le développement de nouveaux médicaments pour traiter les maladies pulmonaires est aujourd’hui un objectif de première importance. En effet, d’après les études effectuées, les maladies pulmonaires sont, à l’heure actuelle, au cinquième rang des principales causes de décès et devraient à l’horizon 2020 devenir la troisième cause de décès [9], [10]. C’est dans cette optique que l’utilisation de poumons sur puce pourrait être envisagée, dans le but de faciliter le développement de nouveaux traitements.

Cependant, dans l’état actuel des choses, nous sommes encore incapables de reproduire un poumon entier sur une puce microfluidique. Néanmoins, Huh et al. [11]ont réussi à reproduire le fonctionnement d’une membrane alveolo-capillaire soit la plus petite unité fonctionnelle du poumon. Cet organe est très important dans le test de nouveaux médicaments car il constitue la barrière physique entre le corps et l’environnement extérieur. Pour reproduire cette membrane, ils ont utilisé du Polydiméthylsiloxane (PDMS), recouvert de collagène pour améliorer l’adhérence des cellules, séparant d’un côté des cellules épithéliales en contact avec l’air et de l’autre des cellules endothéliales en contact avec un fluide composé de nutriments, symbolisant le sang. L’expérience a par ailleurs été reproduite par Jain & al. [12] en intégrant du sang au lieu d’un milieu de culture afin de s’approcher au plus près de la réalité. Par ailleurs, ce canal microfluidique est bordé de deux micro-canaux dans lesquels on a préalablement fait le vide, pour pouvoir reproduire le cycle de compressions expérimenté par la membrane alveolo-capillaire lors de la respiration. C’est là le principal avantage des poumons sur puce par rapport aux cultures cellulaires traditionnelles comme le prouve l’exemple suivant.
microfluidique +  organs sur puce

En effet, Ingber et al. ont voulu observer l’effet de la pollution sur les cellules de poumon. Ils ont ainsi placé des nanoparticules toxiques à la surface des cellules épithéliales. Ils ont ensuite remarqué que plus de particules toxiques passaient de l’air au sang lorsqu’on activait la respiration artificielle. Cela montre que les tests sur les cultures de cellules classiques sous estimaient la toxicité de la pollution sur notre corps [13].

Pour tester le bon fonctionnement de la puce, Huh et al. [11]ont introduit des bactéries dans le flux d’air et des globules blancs dans le flux de sang. Ils ont ainsi pu observer le passage des globules blancs du sang jusqu’aux cellules épithéliales pour combattre les bactéries. Cette puce a ainsi, pu être utilisée pour mesurer la dose maximale d’interleukine-2 (IL-2) à administrer avant de créer un œdème pulmonaire [14].

En effet, l’interleukine-2 peut être efficace pour traiter les cancers rénaux métastasés mais présente des effets secondaires dangereux, comme l’apparition de fluide dans l’espace alvéolaire du poumon. Il était ainsi vital de pourvoir mesurer pour quelle dose d’IL-2 ces effets secondaires interviennent. Par ailleurs, l’efficacité d’angiopoïétine-1 comme inhibiteur d’IL-2 a elle aussi pu être démontréegrâce au poumon sur puce.

Bien que déjà très utile, comme on vient de le voir, le poumon sur puce devra, à terme, être encore amélioré, avec des cellules des muscles par exemple, pour nous permettre de vérifier les effets des traitements sur tout le poumon. En effet, cela permettrait, notamment, de déterminer les causes des spasmes bronchiques.

human-on-chips-body-on-chips-organs-on-chips   ,-microfluidics

Foie sur puce

microfluidique +   organs sur puce

Le développement de foie sur puce est essentiel pour la recherche de nouveaux médicaments. En effet, l’hépatotoxicité est la principale cause d’échec pour ceux-ci, une fois passés les tests sur les animaux. [15], [16] Ainsi l’utilisation de foies sur puce permettraient d’économiser énormément d’argent. Néanmoins, les cellules hépatiques font partie des cellules les plus difficiles à maintenir en vie dans les boites de Pétri [17]. Il a donc été très important de trouver un moyen de copier leur environnement naturel afin d’augmenter leur durée de vie. Yang et al. [18] ont prouvé que lorsqu’on plaçait des cellules mésenchymateuses de placenta humain avec des cellules hépatiques, ces dernières se multipliaient et voyaient leur activité métabolique fonctionner. Pour optimiser ce procédé le ratio entre les différentes cellules est extrêmement important.

Par ailleurs, Chen-Ta et al. [15] ont reconstitué sur une puce microfluidique, en utilisant la diélectrophorèse, l’unité fonctionnelle du foie: le lobule hépatique. Ce lobule est constitué de cellules hépatiques et de cellules endothéliales. Le principal avantage du foie sur puce est sa capacité à reproduire ces details microscopiques ce qui permet une meilleure fiabilité des tests effectués [16].

Ces foies sur puce prennent toute leur importance dans les multi-organes sur puce comme on le verra dans la partie qui y est consacrée. Néanmoins, ils sont encore largement améliorables : le PDMS utilisé par Chen-Ta et al. , est, par exemple, aujourd’hui remis en question.

En effet, il peut parfois absorber de petits composés hydrophobes, y compris quelques médicaments, ce qui peut, bien évidemment, fausser les tests effectués. Cependant, de nouveaux polymères à base de polyuréthanes, ne présentant pas ce défaut, ont récemment été découverts. Ceux-ci présentent les mêmes caractéristiques que le PDMS, (transparent, biocompatible, facile d’utilisation…) et pourraient donc bientôt remplacer ce dernier [17].

Cependant, même la longévité de ces foies sur puce, réputée pour être meilleure que celle des cultures cellulaires classiques, n’excède que très rarement deux semaines [16]. Or, les réponses du foie, notamment lorsqu’on s’intéresse aux effets secondaires de nouveaux traitements, peuvent être des réponses à long terme. Il est donc nécessaire de continuer à essayer d’augmenter cette longévité. Enfin, la disponibilité de cellules humaines est elle aussi problématique. Pour étudier précisément les réponses du foie humain il est préférable d’utiliser des cellules hépatiques humaines mais l’offre ne peut pour l’instant répondre à la demande [16]. On pourrait, certes, envisager de les remplacer par des cellules souches pluripotentes induites mais leur production et leur différentiation coûtent cher. D’autres problèmes apparaissent avec l’utilisation de ‘scaffold’, et une nouvelle version d’un foie sur puce a été développé par Weng YS and al. [19], permettant de reconstruire l’architecture du foie sans utiliser de scaffold. Pour continuer à améliorer les foies sur puce, il faudra donc dans un futur proche résoudre ces derniers points.

microfluidique +    organs sur puce

Cœur sur Puce

Les cœurs sur puce ont également été développés en grand nombre, en raison, notamment, de la grande différence entre les cellules cardiaques animales et humaines, pour étudier les maladies cardiaques ainsi que la cardiotoxicité des traitements médicamenteux. De plus, par rapport aux cultures cellulaires classiques, les puces microfluidiques ont fourni des données morphométriques et électrophysiologiques plus pertinentes [20]–[22]. Ainsi, ces puces pourraient devenir le meilleur outil pour étudier les nouveaux traitements contre les maladies cardiaques.

microfluidique        + organs sur puce

Aujourd’hui, il existe de très nombreux cœurs sur puces différents, pensés par différentes équipes de recherche, pour diverses applications[6]. Pour en citer une, on sait que les cellules du cœur ont un rôle dans la gestion des ions calcium: ainsi, des changements de concentration de ces ions sont souvent liés à des arythmies ou des arrêts cardiaques [23], [24].En effet, Martewicz et al. [25] ont prouvé à l’aide d’un cœur sur puce, par microscopie confocale, que lorsque des cellules cardiaques (chargées en Fluo4) étaient atteintes d’hypoxie, on pouvait observer des différences de concentration en ions calcium.

Par ailleurs, Agarwal et al. [26] ont testé l’isprotenerol, un médicament utilisé pour les arrêts cardiaques ou les bradycardies, sur un cœur sur puce, à base de cellules de rats, à des doses comprises entre 1 nM et 0,1 mM. Ces expériences, bien que menées sur des cellules non humaines, nous montrent le potentiel des cœurs sur puce pour tester des médicaments sur de larges échelles de concentration. De plus, les résultats trouvés se sont avérés similaires à ceux obtenus précédemment sur un vrai rat. Cet exemple illustre la fiabilité de ces puces microfluidiques en plus de leur nombreux avantages.

Néanmoins, pour que le développement des cœurs sur puce puisse continuer, il serait intéressant de développer de nouvelles maladies sur puce: par exemple un cœur ischémique. Par ailleurs, le PDMS présente une défaut majeur: la fixation des cellules est loin d’être optimale [27]. Bien qu’Annabi et al. aient travaillé sur ce problème, en développant un système permettant de recouvrir le PDMS d’une couche de gel facilitant la fixation cellulaire[6], ce défaut reste une voie d’amélioration majeure des cœurs sur puce.

microfluidique +    organs sur puce

Cerveau sur Puce

Comme pour les autres organes, la recherche a modélisé sur puce une petite partie du cerveau: la barrière hémato-encéphalique. Cette barrière est essentielle de par sa fonction: elle protège le cerveau de tous les agents pathogènes circulants dans le sang et laisse passer uniquement les nutriments dont le cerveau a besoin. Néanmoins, cette barrière pose certains problèmes dans le traitement médicamenteux car elle empêche parfois certains sites actifs d’accéder au cerveau (par exemple les médicaments qui luttent contre la maladie de parkinson) [28]. De plus, comme pour le cœur, son fonctionnement diffère très largement chez les humains de celui chez les animaux. Ainsi il est très important de travailler sur des cellules humaines. L’avantage des cerveaux sur puce par rapport aux autres modèles in vivo et in vitro réside dans une géométrie et des dimensions plus réalistes. De plus, ces puces microfluidiques permettent de soumettre l’épithélium à un flux de fluide physiologique [29]. Ce flux vient reproduire l’afflux sanguin et permet une différenciation et maturation adéquate des cellules du cerveau. Ainsi, les cerveaux sur puce se sont avérées plus justes que les cultures statiques dans leurs prédictions, à propos de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique [30], [31]. Dauth & al.[32] ont également été capable de construire un cerveau-sur-puce multi-régions qui permettrait de developer des modèles de maladies neurodégénératives très proches de la réalité in vivo.

microfluidique  +  organs sur puce

Aujourd’hui, la recherche pour mettre sur puce une barrière hémato-encéphalique n’en est qu’à ses prémices mais plusieurs modèles existent déjà [30][31]. Par exemple, Emulate a récemment pu étudier la sclérose latérale amyotrophique (SLA) en mettant sur une puce les cellules souches d’un patient atteint de cette maladie. Ceci leur a permis de comprendre un peu mieux cette maladie et pourra leur servir à tester de nouveaux traitements. Ils ont par ailleurs montré que les neurones présents dans la puce fonctionnaient, prouvant au passage la pertinence de cette puce microfluidique [26].

Néanmoins les différents cerveaux sur puces sont très différents en fonction de l’équipe de recherche [32]. Si cela prouve la polyvalence des organes sur puce, cela empêche les comparaisons entre les résultats des différentes équipes et nuit ainsi à l’avancée de la recherche scientifique. Ainsi, il serait intéressant, dans les années à venir, de trouver un modèle de barrière hémato-encéphalique universel et modéliser d’autres sous-organes du cerveau.

human-on-chips-body-on-chips-organs-on-chips   ,-microfluidics

Intestin sur puce

microfluidique + organs sur    puce

Le dernier organe sur lequel nous nous arrêterons est l’intestin sur puce, et plus précisément, une application qui en a été faite. Kim et al. [33] ont réussi à modéliser l’intestin avec un système à deux couches, proche du poumon sur puce vu précédemment. Comme dans le cas du poumon, l’utilisation de puces microfluidiques s’est avérée extrêmement importante car elles ont permis de recréer une tension mécanique simulant les mouvements péristaltiques. Geraldine Hamilton (Présidente et CSO d’ Emulate et co-signataire de l’article de Kim et al. ) a présenté, en mai 2016, lors d’une conférence Wired Health, une utilisation de cet intestin sur puce [26]. Elle a ainsi récupéré les cellules souches d’un patient atteint de troubles digestifs pour reformer un intestin sur puce et pour pouvoir étudier la réponse de ce dernier à certains aliments ou à de nouveaux traitements. Cet exemple illustre parfaitement ce que pourra être la médecine personnalisée grâce aux organes sur puces. L’intestin est en effet un organe crucial pour l’absorption des médicaments, et ces avancés nous permettraient de mieux comprendre ces aspects et accélérer les recherches.

microfluidique + organs sur puce

De nouvelles puces microfluidiques

Tumeurs sur Puce

Devant les succès grandissants des organes sur puce, les chercheurs se sont mis à développer des tumeurs sur puce. L’idée est de reproduire le micro-environnement dans lequel les cellules cancéreuses interagissent entre elles physiquement ou chimiquement. Ainsi il sera possible d’étudier la survie et la prolifération des cellules malignes. La recherche pour tenter de reproduire l’environnement des tumeurs va bien plus vite que pour les autres puces : en effet, il y a déjà de nombreux articles qui traitent de tels systèmes [33]–[35].

De nombreuses tumeurs sur puce ont ainsi été produites dans le but de tester des nouveaux médicaments à des concentrations différentes [6]. Kim et al. [36] ont développé un système programmable et automatique dans le but de déterminer le meilleur choix de concentration. L’efficacité de leur système a été prouvée sur les cellules PC3 (celles du cancer de la prostate) grâce à l’utilisation d’une combinaison de doxorubicine et de mitoxantrone.

Ces tumeurs sur puces sont particulièrement intéressantes lorsqu’on les relie à d’autres organes, c’est pourquoi on reviendra sur leur intérêt, pour la recherche contre le cancer, dans la prochaine partie avec quelques exemples concrets.

microfluidique +    organs sur puce

Multi-organes sur Puce

Si le développement des organes sur puce et des tumeurs sur puce a déjà pu s’avérer utile pour le test de certains traitements, il est nécessaire, pour remplacer définitivement les tests sur les animaux ou pour donner accès à la médecine personnalisée, de pouvoir relier les organes entre eux. En effet, il est crucial, lorsqu’on développe un nouveau médicament, de s’assurer que celui-ci n’aura pas d’effets secondaires sur le reste du corps. Par exemple, on lie souvent l’organe sur lequel on veut tester un médicament avec un foie sur puce pour tester l’hépatotoxicité de ce médicament [6]. C’est le cas, notamment, dans l’étude de van Midwoud et al. [37].

Ces systèmes multi-organes ont également permis d’étudier l’absorption et le métabolisme, en plus de l’efficacité de quatre traitements contre le cancer [38]. En effet, Imura et al. ont associé des cellules d’intestin et de foie avec des cellules de cancer du sein, afin d’observer le trajet des échantillons testés dans le dispositif. Deux ans plus tard, ils ont amélioré leur dispositif en ajoutant, en amont, de l’acide gastrique pour simuler le traitement par l’estomac, d’un médicament administré oralement [39].

microfluidique + organs   sur   puce

Le cas précédent a montré un exemple d’utilisation de tumeurs sur puce, pour tester l’effet de traitements contre le cancer. Néanmoins, ces dispositifs multi-organes peuvent avoir d’autres utilisations. Ils ont par exemple permis d’observer la métastase de cellules cancéreuses du sein dans les os, grâce à un suivi en temps réel par microscope haute résolution [40]. Cette technique a également été employé par Xu et al. pour scruter les metastases du cancer du poumon [41].

Ainsi, les multi-organes sur puce ont déjà permis d’effectuer des tests sur des médicaments existants ou de progresser dans la recherche contre le cancer comme on vient de le voir. Néanmoins, pour que ceux-ci puissent intégralement remplacer les tests sur les animaux dans le développement de nouveaux médicaments, il reste de nombreux challenges à relever.

microfluidique + organs sur puce

Applications des organes sur puce

APPLICATION ORGANES SUR PUCE - Introduction

Applications des organes sur puce microfluidique

Applications des organes sur puce microfluidique : Depuis 2012, de plus en plus de personnes, entreprises ou laboratoires, s’intéressent aux organes sur puce (En savoir plus).Ces cultures cellulaires permettent, à l’aide de la microfluidique, de reproduire le micro-environnement des cellules dans le corps humain. Ces puces pourraient ainsi devenir de formidables accélérateurs de recherche et, à terme, leur utilisation systématique lors des tests pré cliniques pourrait leur permettre de remplacer les tests sur les animaux mais pourraient également ouvrir l’accès à la médecine personnalisée. Nous reviendrons ici sur les principales applications des organes sur puce.

APPLICATION ORGANES SUR PUCE - Utilisation des organes sur puce à bas TRL

Les organes sur puce pourraient s’avérer extrêmement utiles dans le futur lorsqu’ils seront passés du statut de sujet de recherche à celui d’outil de recherche. En effet, lorsqu’un chercheur découvre une nouvelle molécule, susceptible de combattre certaines bactéries par exemple, il lui faut des années pour récolter assez d’argent et pour faire les premiers tests donnant des garanties de succès. C’est pour cette raison que les organes sur puce, peu chers et très largement reproductibles pourraient s’avérer déterminants. Ils pourraient, en effet, permettre d’effectuer ces tests à très faible coût et sans avoir besoin d’attendre des années. De plus, ils ne posent aucun souci d’éthique et pourraient ainsi permettre aux chercheurs d’avancer bien plus rapidement dans leurs travaux sans se heurter à une limite de tests possibles.

APPLICATION ORGANES SUR PUCE - Accès à la médecine personnalisée

Sur 100 patients recevant le même traitement, dans les mêmes proportions, tous ne réagiront pas pareils. Certains subiront mêmes, dans certains cas, des effets secondaires néfastes. Pour résoudre ces problèmes, la médecine personnalisée qui consiste à adapter le traitement au patient et à ses caractéristiques, pourrait être développée grâce aux organes sur puce. En effet, on pourrait recréer le patient sur une puce à l’aide de ses cellules souches pluripotentes induites et ensuite tester directement sur ses cellules les traitements afin d’adapter la quantité par exemple.

Applications des organes sur puce   microfluidique

APPLICATION ORGANES SUR PUCE - Lutte contre le cancer

Applications des organes sur puce microfluidiqueBien sur, les organes sur puce permettront de lutter contre le cancer en favorisant la sortie de nouveaux traitements comme on l’a vu précédemment mais ce n’est pas tout. Aujourd’hui on est d’ores et déjà capable de créer des tumeurs sur puce. L’idée est de reproduire le micro-environnement dans lequel les cellules cancéreuses interagissent entre elles physiquement ou chimiquement pour étudier la survie et la prolifération des cellules malignes. Ainsi on pourra tester directement les médicaments sur les tumeurs. De plus il sera possible, en utilisant un corps-sur-puce (plusieurs organes sur une même puce) de déterminer les effets secondaires de ces traitements.

Néanmoins la lutte contre le cancer grâce aux organes sur puce ne s’arrête pas là. En reliant plusieurs organes sur une même puce on a déjà pu étudier la métastase de cellules cancéreuses du sein dans les os, grâce à un suivi en temps réel par microscopie haute résolution. Par conséquent, lorsque les organes sur puce seront devenus des outils de recherche, la lutte contre le cancer aura de nouvelles armes à sa disposition.

APPLICATION ORGANES SUR PUCE - Recherche contre le vieillissement

Le développement des organes sur puce pourrait également fournir de nouvelles armes à la recherche contre le vieillissement. En effet, on connaît aujourd’hui certaines causes du vieillissement biologique. On pourrait ainsi tester des médicaments contre le vieillissement sur des organes sur puce en se focalisant sur certains paramètres connus (longueur des télomères, vitesse de division, accumulation de cellules sénescentes…). Cela permettra de déterminer si les traitements sont efficaces contre le vieillissement cellulaire. Néanmoins, il sera difficile de conclure sur l’efficacité réelle des traitements à moins que la durée de vie des organes sur puce n’augmente énormément.

Applications des organes sur   puce microfluidique

microfluidique + organs sur puce

Challenges qu'il reste à relever pour l'utilisation à grande échelle des organes sur puce

Déterminer les tailles relatives des différents organes sur puce

Lorsqu’on couple plusieurs organes sur puce, que ce soit pour mesurer l’efficacité d’un traitement ou pour étudier les interactions entre organes , il est important de construire des modèles qui ont les bonnes tailles relatives. En effet, si un poumon micrométrique est relié à un foie millimétrique, ce dernier ne réagira pas forcément aux traces de médicaments passées par le poumon. De plus, la possibilité de jouer sur les tailles relatives des organes est un énorme avantage car, une fois maîtrisé, cela nous permettra de créer des modèles plus en adéquation avec le corps humain que les animaux utilisés aujourd’hui. Cela nous permettra également de modéliser des corps d’ages variés pour rendre la médecine encore plus personnalisée [43].

Cependant il est extrêmement difficile de trouver une échelle convenable pour cette modélisation (Faut-il se baser sur la masse des organes? leur volume? le flux de fluide?) . Wikswo et al. ont proposé une nouvelle piste pour résoudre ce problème: concevoir les organes à la taille nécessaire pour qu’ils puissent assurer leur fonction principale [43].

Déterminer la quantité de fluide à l'intérieur des puces

Puisqu’on trouve approximativement 5 litres de sang dans le corps humain, on pourrait imaginer trouver 5 microlitres de sang dans un microhumain [43]. En effet, un trop grand volume pourrait avoir tendance à diluer les traitements ou les hormones secrétés par les différents organes et ainsi fausser les résultats des tests effectués. Néanmoins, ces 5 microlitres de volume total induisent de nombreux challenges. En effet il faut être capable de créer, entre autres,  des pompes microfluidiques et des valves, d’une taille appropriée à de si petits volumes. De plus, elles doivent l’être à de très faible coûts car la conception de puces microfluidiques a vocation à devenir massive pour permettre de très nombreux tests, sur une large gamme de concentration par exemple.

Trouver un substitut de sang universel

Bien qu’on ait déjà réussi à trouver des milieux qui puissent se substituer au sang dans les organes sur puce, il reste à lui trouver un substitut universel, qui soit commun à tout notre humain sur puce [43]. Ainsi, celui-ci devra être capable d’irriguer et de maintenir en vie le plus longtemps possible des dizaines de types de cellules différentes dans le milieu, en plus d’assurer les fonctions du sang dans le corps humain (transport d’oxygène, porteur de protéines, de nutriments, de métabolites…). Jain & al (2017) [12] sont parvenus grâce à une isolation par des cellules endothéliales vasculaires à remplacer le milieu de culture par du sang (recalcified citrated whole blood) citraté et recalcifié dans un poumon sur puce. L’utilisation de sang citraté et recalcifié pour l’étude de thromboses avait déjà été démontré hors du contexte des organes sur puce par Rajwal (2004) [43]. Cependant, tous les organes n’ont pas les mêmes besoins. Parfois l’utilisation de sérum n’est pas possible car cela nuirait à la reproductibilité des cellules [44]. Dans de tels cas, des protéines doivent souvent être ajoutées afin de garantir l’homéostasie biochimique. Zhang et al. ont réussi, à partir des milieux propres à chaque type de cellules, et en y ajoutant quelques composants ( des facteurs de croissance par exemple) pour optimiser les fonctionnalités physiologiques, à créer un substitut de sang pour quatre cultures de cellules: cellules de foie, de poumon de rein et cellules adipeuse [45]. Ainsi la solution serait de pouvoir ajouter localement au milieu certains composants, nécessaires au fonctionnement de certains organes mais néfastes pour d’autres. Il faudrait en outre être capable de retirer du milieu les molécules toxiques produites par un organe avant que celles-ci n’atteignent un autre organe [46].

microfluidique + organs sur puce

ORGANES SUR PUCE - CONCLUSION

Cette review nous a montré à quel point les organes sur puce pouvaient s’avérer déterminants pour le futur de la médecine: leur utilisation systématique ferait gagner du temps et de l’argent aux industries pharmaceutiques et permettraient, en outre, de limiter les élevages d’animaux destinés à devenir des cobayes. Par ailleurs, ces puces pourraient devenir de formidables accélérateurs de recherche, car elles pourraient permettre de faire de très nombreux essais beaucoup plus rapidement au tout début de la recherche.  Si l’usage de certaines puces a déjà fait ses preuves, et si certaines d’entre elles peuvent dès aujourd’hui être utilisées dans certains cas, nous sommes néanmoins encore loin d’arriver à obtenir un humain sur puce. La connexion de ces organes sur puce entre eux présente pour l’instant trop de difficultés et l’avancée de la recherche dans ce domaine ne saura avoir lieu sans passer par l’avancée de la recherche en biologie. En attendant, ces puces peuvent aujourd’hui être utilisées pour déterminer quel médicament  devrait être testé en priorité. Enfin, une fois les derniers problèmes réglés, cette technologie pourrait permettre l’accès à la médecine personnalisée pour tous. Chacun pourra ainsi se voir administrer le traitement qu’il lui faut, dans les proportions qui lui conviennent, à partir de ses propres cellules souches.

Pour plus d’information sur ce sujet, merci de nous contacter. 

Nous réalisons des projets de recherche sur les organes sur puces, si vous êtes intéressé par une collaboration, contactez-nous.

contact@elveflow.com

microfluidique + organs sur puce

Références

 

[1]         J. A. DiMasi, H. G. Grabowski, and R. W. Hansen, “Innovation in the pharmaceutical industry: New estimates of R&D costs,” J. Health Econ., vol. 47, pp. 20–33, May 2016.

[2]         L. J. Marshall and A. N. Rowan, “Advances in alternative non-animal testing methods represent a way to find new treatments for patients,” Eur. J. Intern. Med., May 2017.

[3]         van den B. van der Meer A. D., “Organs-on-chips: breaking the in vitro impasse,” Integr. Biol., vol. 4, no. 5, pp. 461–470, 2012.

[4]         C. Moraes, G. Mehta, S. C. Lesher-Perez, and S. Takayama, “Organs-on-a-chip: a focus on compartmentalized microdevices,” Ann. Biomed. Eng., vol. 40, no. 6, pp. 1211–1227, 2012.

[5]         D. Huh, G. A. Hamilton, and D. E. Ingber, “From 3D cell culture to organs-on-chips,” Trends Cell Biol., vol. 21, no. 12, pp. 745–754, 2011.

[6]         A. Polini, L. Prodanov, N. S. Bhise, V. Manoharan, M. R. Dokmeci, and A. Khademhosseini, “Organs-on-a-chip: a new tool for drug discovery,” Expert Opin. Drug Discov., vol. 9, no. 4, pp. 335–352, 2014.

[7]         M. Chabert, Microfluidique de gouttes pour les analyses biologiques. Biophysique [physics.bio-ph]. Université Pierre et Marie Curie Paris VI, 2007.

[8]         V. Y. Sidorov, P. C. Samson, T. N. Sidorova, J. M. Davidson, C. C. Lim, and J. P. Wikswo, “I-Wire Heart-on-a-Chip I: Three-dimensional cardiac tissue constructs for physiology and pharmacology,” Acta Biomater., vol. 48, pp. 68–78, Jan. 2017.

[9]         R. Lipsi, P. Rogliani, L. Calzetta, A. Segreti, and M. Cazzola, “The clinical use of regenerative therapy in COPD,” Int. J. Chron. Obstruct. Pulmon. Dis., vol. 9, p. 1389, 2014.

[10]       D. M. Mannino, D. M. Homa, L. J. Akinbami, E. S. Ford, and S. C. Redd, “Chronic obstructive pulmonary disease surveillance,” Respir. Care, vol. 76, p. 10, 2002.

[11]       D. Huh, B. D. Matthews, A. Mammoto, M. Montoya-Zavala, H. Y. Hsin, and D. E. Ingber, “Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip,” Science, vol. 328, no. 5986, pp. 1662–1668, Jun. 2010.

[12]       A. Jain et al., “Primary Human Lung Alveolus-on-a-chip Model of Intravascular Thrombosis for Assessment of Therapeutics,” Clin. Pharmacol. Ther., Jul. 2017.

[13]       M. Baker, “Tissue models: a living system on a chip,” Nature, vol. 471, no. 7340, pp. 661–665, 2011.

[14]       D. Huh et al., “A Human Disease Model of Drug Toxicity–Induced Pulmonary Edema in a Lung-on-a-Chip Microdevice,” Sci. Transl. Med., vol. 4, no. 159, p. 159ra147-159ra147, Nov. 2012.

[15]       S. R. Khetani and S. N. Bhatia, “Microscale culture of human liver cells for drug development,” Nat. Biotechnol., vol. 26, no. 1, pp. 120–126, 2008.

[16]       D. Yip and C. H. Cho, “A multicellular 3D heterospheroid model of liver tumor and stromal cells in collagen gel for anti-cancer drug testing,” Biochem. Biophys. Res. Commun., vol. 433, no. 3, pp. 327–332, 2013.

[17]       J. M. Prot et al., “Predictive toxicology using systemic biology and liver microfluidic on chip approaches: application to acetaminophen injury,” vol. 259, no. 3, pp. 270–280, 2012.

[18]       Y. Yang et al., “Co-culture with mesenchymal stem cells enhances metabolic functions of liver cells in bioartificial liver system,” Biotechnol. Bioeng., vol. 110, no. 3, pp. 958–968, 2013.

[19]       Y.-S. Weng, S.-F. Chang, M.-C. Shih, S.-H. Tseng, and C.-H. Lai, “Scaffold-Free Liver-On-A-Chip with Multiscale Organotypic Cultures,” Adv. Mater. Deerfield Beach Fla, Jul. 2017.

[20]       K. K. Parker, J. Tan, C. S. Chen, and L. Tung, “Myofibrillar architecture in engineered cardiac myocytes,” Circ. Res., vol. 103, no. 4, pp. 340–342, 2008.

[21]       A. Grosberg et al., “Self-organization of muscle cell structure and function,” PLoS Comput Biol, vol. 7, p. 2, 2011.

[22]       N. Klauke, G. Smith, and J. M. Cooper, “Microfluidic systems to examine intercellular coupling of pairs of cardiac myocytes,” Lab. Chip, vol. 7, no. 6, p. 731, 2007.

[23]       D. A. Saint, “The cardiac persistent sodium current: an appealing therapeutic target?,” Br. J. Pharmacol., vol. 153, no. 6, pp. 1133–1142, 2008.

[24]       C. Depre and S. F. Vatner, “Cardioprotection in stunned and hibernating myocardium,” Heart Fail. Rev., vol. 12, no. 3–4, pp. 307–317, 2007.

[25]       S. Martewicz, F. Michielin, E. Serena, A. Zambon, M. Mongillo, and N. Elvassore, “Reversible alteration of calcium dynamics in cardiomyocytes during acute hypoxia transient in a microfluidic platform,” Integr. Biol., vol. 4, no. 2, pp. 153–164, 2012.

[26]       A. Agarwal, J. A. Goss, A. Cho, M. L. McCain, and K. K. Parker, “Microfluidic heart on a chip for higher throughput pharmacological studies,” Lab. Chip, vol. 13, no. 18, pp. 3599–3608, 2013.

[27]       R. N. Palchesko, L. Zhang, Y. Sun, and A. W. Feinberg, “Development of polydimethylsiloxane substrates with tunable elastic modulus to study cell mechanobiology in muscle and nerve,” PloS One, vol. 7, p. 12, 2012.

[28]       Vidéo de Hamilton, Want to test new drugs? Put a fake lung on a chip, 2016.

[29]       N. J. Abbott, D. E. Dolman, S. R. Yusof, and A. Reichel, “In vitro models of CNS barriers,” Drug Deliv. Brain, pp. 163–197, 2014.

[30]       R. Booth and H. Kim, “Permeability analysis of neuroactive drugs through a dynamic microfluidic in vitro blood brain barrier model,” Ann. Biomed. Eng., vol. 42, no. 12, pp. 2379–2391, 2014.

[31]       S. P. Deosarkar, B. Prabhakarpandian, B. Wang, J. B. Sheffield, B. Krynska, and M. F. Kiani, “A Novel Dynamic Neonatal Blood-Brain Barrier on a Chip,” PloS One, vol. 10, p. 11, 2015.

[32]       S. Dauth et al., “Neurons derived from different brain regions are inherently different in vitro: a novel multiregional brain-on-a-chip,” J. Neurophysiol., vol. 117, no. 3, pp. 1320–1341, Mar. 2017.

[33]       B. J. Kirby et al., “Functional characterization of circulating tumor cells with a prostate-cancer-specific microfluidic device,” vol. 7, p. 4, 2012.

[34]       M. G. Mauk, B. L. Ziober, Z. Chen, J. A. Thompson, and H. H. Bau, “Lab-on-a-Chip Technologies for Oral-Based Cancer Screening and Diagnostics,” Ann. N. Y. Acad. Sci., vol. 1098, no. 1, pp. 467–475, 2007.

[35]       D. Wlodkowic and J. M. Cooper, “Tumors on chips: oncology meets microfluidics,” Curr. Opin. Chem. Biol., vol. 14, no. 5, pp. 556–567, 2010.

[36]       C. Kim, J. H. Bang, Y. E. Kim, S. H. Lee, and J. Y. Kang, “On-chip anticancer drug test of regular tumor spheroids formed in microwells by a distributive microchannel network,” Lab. Chip, vol. 12, no. 20, pp. 4135–4142, 2012.

[37]       P. M. van Midwoud, M. T. Merema, E. Verpoorte, and G. M. Groothuis, “A microfluidic approach for in vitro assessment of interorgan interactions in drug metabolism using intestinal and liver slices,” Lab. Chip, vol. 10, no. 20, pp. 2778–2786, 2010.

[38]       Y. Imura, K. Sato, and E. Yoshimura, “Micro total bioassay system for ingested substances: assessment of intestinal absorption, hepatic metabolism, and bioactivity,” Anal. Chem., vol. 82, no. 24, pp. 9983–9988, 2010.

[39]       Y. Imura, E. Yoshimura, and K. Sato, “Micro total bioassay system for oral drugs: evaluation of gastrointestinal degradation, intestinal absorption, hepatic metabolism, and bioactivity,” Anal. Sci., vol. 28, no. 3, pp. 197–197, 2012.

[40]       S. Bersini et al., “A microfluidic 3D in vitro model for specificity of breast cancer metastasis to bone.,” Biomaterials, vol. 35, no. 8, pp. 2454–2461, 2014.

[41]       Z. Xu, E. Li, Z. Guo, and Q. Wang, “An In Vitro Biomimetic Multi-Organ Microfluidic Chip System To Test Lung Cancer Metastasis,” LAM Surg. STEROID RE Grow. LUNG Am. Thorac. Soc., vol. 68, pp. A5014–A5014, 2015.

[42]       J. P. Wikswo et al., “Engineering challenges for instrumenting and controlling integrated organ-on-chip systems,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 60, no. 3, pp. 682–690, 2013.

[43]       S. Rajwal, M. Richards, and M. O’Meara, “The use of recalcified citrated whole blood – a pragmatic approach for thromboelastography in children,” Pediatr. Anesth., vol. 14, no. 8, pp. 656–660, Aug. 2004.