Quelles sont les technologies d'organes sur puce?

Les dispositifs d'organes sur puces sont des systèmes micro-ingénierienés qui recréent les caractéristiques physiologiques clés des organes humains au sein d'une petite plate-forme, souvent transparente, qui intègrent des cellules vivantes, généralement dérivées de l'homme, avec des canaux microfluidiques qui permettent la perfusion contrôlée de nutriments, d'oxygène et de composés d'essai.

Les premiers prototypes ont porté sur les fonctions d'un organe unique, comme le groupe pulmonaire sur puce développé par Donald Ingber , à l'Institut Wyss, qui a reproduit l'interface alvéolaire-capillaire. Depuis, des puces représentant le foie, les reins, l'intestin, le cœur et les vaisseaux sanguins ont été créées. Dans la recherche vasculaire en particulier, l'endothélium, la doublure interne des vaisseaux sanguins, est cultivé à l'intérieur des microcanaux, permettant aux chercheurs d'observer en temps réel les interactions entre les cellules endothéliales, les cellules musculaires lisses et les cellules immunitaires circulantes dans des conditions de débit.

Les puces sont généralement fabriquées en utilisant la lithographie douce avec le polydiméthylsiloxane (PDMS), un élastomère transparent et biocompatible. Des versions plus avancées intègrent des capteurs pour le pH, l'oxygène ou la résistance électrique, permettant une surveillance continue de l'intégrité de la barrière ou de l'activité métabolique. Certains systèmes comprennent également des membranes extensibles pour imiter la nature pulsatile du flux sanguin.

Application dans les études tissulaires vasculaires

Les tissus vasculaires — artères, veines, capillaires — sont au cœur de presque tous les processus physiologiques, de la distribution d'oxygène à la surveillance immunitaire. La dysfonction dans ces tissus sous-tend les principales maladies, notamment l'athérosclérose, les complications microvasculaires liées au diabète, les accidents vasculaires cérébraux et l'angiogenèse tumorale.

Modélisation de l'athérosclérose et de la thrombose

Les chercheurs ont conçu des puces vasculaires bordées de cellules endothéliales humaines et les ont exposées à des profils de débit oscillatoires ou perturbés qui imitent les régions sujettes à la formation de plaques. Ces puces peuvent récapituler les premiers stades de l'athérogénèse, comme l'augmentation de la perméabilité endothéliale, l'adhérence monocytaire et la formation de cellules de mousse. Une étude de 2019 publiée dans Nature Biomedical Engineering a utilisé une puce vasculaire pour démontrer que le flux perturbé augmente les voies inflammatoires de manière à correspondre étroitement aux spécimens d'artère humaine.

Pour les thrombose, les copeaux peuvent être recouverts de substrats thrombogéniques (p. ex. collagène ou facteur tissulaire) et perfusés avec du sang total pour étudier la formation de caillot sous le flux. Cette approche a été utilisée pour évaluer les traitements antiplaquettaires et anticoagulants, étudier les troubles hémorragiques et modéliser la coagulopathie associée à COVID-19. La capacité à varier les taux de cisaillement et ajouter des cellules ou du plasma dérivés du patient permet une évaluation personnalisée du risque thrombotique.

Étude de l'angiogenèse et du remodelage vasculaire

L'angiogenèse, la croissance de nouveaux vaisseaux sanguins par rapport à ceux existants, est essentielle au développement, à la guérison des plaies et au cancer. Des puces vasculaires ont été conçues avec des compartiments adjacents pour semer les cellules endothéliales et périvasculaires, séparées par un échafaudage matriciel. En ajoutant des facteurs pro-angiogéniques (par exemple, VEGF) dans un gradient, les chercheurs peuvent observer la germination, la ramification et la formation de réseaux en temps réel.

De plus, les puces peuvent simuler le microenvironnement tumoral en cocultant les cellules endothéliales avec les cellules cancéreuses.Ces modèles aident à étudier comment les tumeurs cooptent les vaisseaux sanguins pour l'approvisionnement en nutriments et comment les thérapies anti-angiogéniques (par exemple, le bevacizumab) affectent la normalisation des vaisseaux. Un récent article de Science décrit une puce multicanaux qui a recréé la cascade métastatique, y compris l'invasion des cellules cancéreuses dans les canaux vasculaires, offrant une plate-forme pour tester les médicaments qui empêchent la diffusion.

Hypertension et perméabilité vasculaire

Les chercheurs ont mesuré les changements de la fonction de barrière par la résistance électrique transendothéliale (TEER) et ont observé une fuite accrue de traceurs fluorescents. Ces puces peuvent également incorporer des cellules musculaires lisses pour étudier la contractilité du vaisseau et les effets des vasodilatateurs comme les donneurs d'oxyde nitrique. Cette approche fournit une compréhension mécaniste de la façon dont l'hypertension endommage la microvasculature et offre un écran pour les composés antihypertenseurs qui protègent l'endothélium.

Avantages de l'organe sur un chip dans la recherche vasculaire

The shift from traditional cell culture and animal models to organ chips brings several concrete benefits for vascular studies:

Pertinence physiologique

Les plats de culture statique manquent de débit, ce qui est essentiel pour l'alignement des cellules endothéliales, l'expression des gènes et la fonction.Les copeaux d'organes intègrent la contrainte de cisaillement, l'étirement cyclique et l'élimination des déchets, tous essentiels au maintien d'un endothélium fonctionnel différencié, ce qui permet d'obtenir des réponses plus précises aux médicaments et des profils de toxicité.

Réduction de l'utilisation des animaux

Bien que les modèles animaux aient été inestimables, ils ne permettent souvent pas de prédire les réactions humaines en raison des différences entre les espèces en matière de métabolisme des médicaments, de fonction immunitaire et de biologie vasculaire. Les puces d'organes peuvent remplacer ou réduire le nombre d'animaux utilisés dans les essais de début de traitement, en s'aligneant sur le principe des 3R (Remplacement, Réduction, Raffinement).

Contrôle et automatisation à haut débit

Les plateformes modernes de puces d'organes sont conçues pour des formats multi- puits — 96 ou même 384 puces par plaque — compatibles avec les gestionnaires de liquides automatisés et les systèmes d'imagerie. Cela permet aux chercheurs de tester simultanément des centaines de conditions, de détecter l'efficacité, la toxicité et les effets secondaires sur les tissus vasculaires.

Médecine personnalisée

En utilisant des cellules souches pluripotentes induites par le patient (CISP) ou des cellules endothéliales primaires provenant de donneurs spécifiques, les puces vasculaires peuvent modéliser des variations individuelles de la réponse médicamenteuse ou de la sensibilité à la maladie. Par exemple, les puces doublées de cellules d'un patient ayant une mutation génétique dans le gène NOTCH3 (associé au CADASIL) peuvent reproduire des caractéristiques de la maladie telles que la vasoractivité altérée.

Surveillance et interrogation en temps réel

La nature transparente de la plupart des matériaux de puce permet l'imagerie continue des cellules vivantes des marqueurs fluorescents, le suivi de la localisation des protéines, la signalisation de calcium ou la migration des cellules. Les capteurs intégrés fournissent des lectures de la consommation d'oxygène, des changements de pH ou des chutes de pression à travers le vaisseau.

Défis et orientations futures

Malgré des progrès rapides, la technologie des organes sur puce pour les études vasculaires fait face à plusieurs obstacles qui doivent être surmontés pour une adoption généralisée dans l'industrie et les milieux cliniques.

Complexité et reproductibilité

La fabrication de puces avec des géométries précises, leur revêtement avec des protéines de matrice extracellulaire et leur semis avec des cellules viables nécessite une expertise technique. La variabilité de la production de puces ou l'approvisionnement en cellules peuvent avoir des répercussions sur les résultats expérimentaux.

Échelle et coût

Bien que certaines entreprises aient commercialisé des puces d'organes (p. ex., Emulate , Chip-S1, TissUse , plates-formes multi-organes), le coût unitaire reste relativement élevé par rapport à une plaque de 96 puits. L'augmentation de la capacité pour les grands écrans pharmaceutiques ou les diagnostics cliniques nécessitera des matériaux moins chers (p. ex., thermoplastiques au lieu de PDMS) et un montage plus automatisé.

Intégration de systèmes à organes multiples

La prochaine frontière est le développement de plates-formes -body-on-a-chip-.com qui relient plusieurs puces d'organes à des interactions systémiques modèles.Par exemple, une puce hépatique peut métaboliser un médicament, et les métabolites qui en résultent peuvent être transférés à une puce vasculaire pour évaluer la toxicité endothéliale.Ces systèmes multi-organes nécessitent une correspondance attentive des débits, de la composition des milieux et de l'échelle des organes.Des travaux récents ont démontré la faisabilité de lier les puces du cœur, du foie et des poumons, mais l'intégration vasculaire demeure un défi majeur parce que l'endothélium est présent dans presque tous les organes et sert de barrière.Une étude de Nature Biomedical Engineering a mis en évidence un système qui relie une puce intestinale à une puce hépatique et une puce rénale, soulignant le potentiel de modélisation pharmacocinétique.

Vascularisation des tissus 3D

La plupart des puces d'organes modélisent les vaisseaux sanguins comme canaux 2D, mais les capillaires in vivo forment des réseaux 3D complexes. Les efforts pour créer des tissus vasculaires 3D à l'intérieur des puces — en intégrant les cellules endothéliales dans les hydrogels et en permettant l'auto-organisation — progressent. Cependant, la réalisation de réseaux microvasculaires perfusables et stables qui imitent la hiérarchie in vivo demeure un défi technique majeur.

Acceptation et validation de la réglementation

Pour que les puces d'organes deviennent un outil standard dans le développement des médicaments, elles doivent être validées par rapport aux ensembles de données existants. La FDA, dans le cadre de sa modernisation de l'application abrégée de nouveaux médicaments (2012), a encouragé l'utilisation de méthodes de rechange.En 2021, l'agence a lancé un programme pilote pour évaluer l'utilisation des puces d'organes pour les tests d'efficacité et de toxicité.

Technologies clés qui conduisent à des progrès

Plusieurs innovations technologiques accélèrent l'utilité des puces d'organes vasculaires :

  • Cellules souches pluripotentes induites (iPSC):[ Fournit une source illimitée de cellules endothéliales et de péricytes spécifiques au patient, ce qui permet une modélisation personnalisée de la maladie.
  • CRISPR-Cas9 édit: Permet l'introduction ou la correction de mutations génétiques dans les lignées iPSC pour étudier les troubles vasculaires monogéniques.
  • Intégration avancée des capteurs: Les capteurs optiques, électrochimiques et mécaniques intégrés dans les puces fournissent des données en temps réel sur la fonction barrière, la santé cellulaire et les effets des médicaments.
  • Analyse de l'apprentissage de la machine:[ Les données d'imagerie à haut contenu provenant d'expériences de puces peuvent être analysées par des algorithmes d'apprentissage profond pour identifier des changements morphologiques subtils qui prédisent l'efficacité ou la toxicité des médicaments.
  • Les régulateurs microfluidiques automatisés: Les instruments qui régulent précisément le débit, la pression et la température sur plusieurs puces sont en train de devenir disponibles simultanément sur le marché, réduisant ainsi la variabilité dépendante de l'utilisateur.

Exemples de plates-formes d'organes sur un chip pour les études vasculaires

Un certain nombre de plateformes commerciales et universitaires sont maintenant largement utilisées:

Emuler VivoChip

Le système VivoChip (Emula, Inc.) utilise un design breveté de puce d'organe avec deux canaux parallèles séparés par une membrane poreuse, permettant la coculture de cellules endothéliales avec d'autres types de cellules (p. ex. épithélium pulmonaire ou barrière intestinale). Les chercheurs peuvent appliquer un étirement cyclique pour simuler la respiration ou la péristalsie.

OrganoPlate de Mimetas

Mimetas (Pays-Bas) propose une plaque microfluidique multi- puits qui utilise une matrice de gel 3D pour soutenir la formation du vaisseau. Les cellules endothéliales s'organisent en tubules perfusables dans le gel, créant un réseau capillaire 3D plus physiologiquement réaliste. Cette plateforme est compatible avec l'imagerie à haut contenu et a été utilisée pour le dépistage de l'angiogenèse et les essais d'extravasation métastatique.

Innovations Bio du CN PhysioMimix

Le système multi-organes PhysioMimix du CN relie jusqu'à huit puces de tissu dans une boucle fluide recirculation. Il a été employé pour étudier le métabolisme et le transport des médicaments à travers l'axe intestinal-vasculaire-livraison, captant les effets systémiques qui ont une incidence sur l'endothélium.

Perspectives

Les technologies d'organes sur puces pour les études tissulaires vasculaires sont passées de la preuve de concept à une série croissante d'outils validés. Leur capacité à recapituler le flux sanguin, les forces mécaniques et les interactions multicellulaires les rend indispensables pour comprendre la biologie vasculaire et le dépistage des candidats thérapeutiques.

Dans la prochaine décennie, on peut s'attendre à voir des puces vasculaires utilisées dans les diagnostics cliniques, par exemple, pour déterminer le risque individuel de toxicité vasculaire induite par les médicaments avant de prescrire. La convergence des puces d'organes avec des cellules souches personnalisées, l'édition de gènes et l'intelligence artificielle créera un nouveau paradigme pour la recherche vasculaire, qui est plus prédictive, plus humaine et plus directement translatable pour la santé humaine.