Nous sommes actuellement confrontés à un défi mondial pour la santé : la façon dont nous découvrons et développons de nouveaux médicaments est trop coûteuse et trop longue. Les organes sur puce pourraient permettre de répondre à ces difficultés et pourraient à l’avenir ouvrir la possibilité de faire des tests personnalisés pour chaque individu.
Le développement de médicaments : un enjeu de santé mondial
L’engouement des dernières années pour les organes sur puce réside dans une inquiétante réalité : le modèle de développement de nouveaux médicaments est dans une impasse. Cela signifie que des patients qui ont besoin de nouvelles thérapies ne les reçoivent pas et que des maladies ne sont pas traitées. Les chercheurs ont décrit ironiquement cette situation par une loi baptisée loi d’Eroom (Moore écrit à l’envers) stipulant que le développement d’un nouveau médicament est de plus en plus cher et de plus en plus long au fil du temps.
« Aujourd’hui, l’industrie pharmaceutique est face à un modèle qui ne fonctionne plus car pour dix mille molécules testées, une seule finira chez le patient, notamment à cause de l’inadéquation des modèles utilisés »
Xavier Gidrol, directeur du laboratoire Biomics au CEA Grenoble.
Chaque molécule candidate doit en effet suivre un long parcours en vue d’être approuvée sur le marché. Bien qu’une efficacité de la molécule puisse être décelée lors des premiers tests sur des cultures 2D in vitro et sur des animaux, ces modèles éloignés de la réalité physiologique du corps humain ne prédisent que très mal l’efficacité de la molécule sur l’homme.
Se dresse alors un mur quasi infranchissable : les phases d’essais cliniques sur les humains. Ce sont ces phases d’essai très longues et très coûteuses qui mettent à mal les entreprises pharmaceutiques, qui, n’osant rêver de résultats spectaculaires, adoptent le sinistre mantra : « échouer plus vite et moins cher ».
Créer des répliques d’organes sur des puces de plastique pour accélérer les tests
C’est là que les organes sur puce entrent en jeu. Un organe sur puce est un système miniaturisé dans lequel sont creusés des canaux microfluidiques selon une architecture appropriée. Le squelette de ce système, typiquement de la taille d’une carte de crédit, est appelé « puce ». Cette puce permet de reproduire une fonctionnalité d’un organe, par exemple la respiration au niveau des alvéoles pulmonaires. La mise en culture des cellules se fait dans les canaux microfluidiques qui peuvent être compartimentés afin d’accueillir différents types de cellules, d’où la dénomination d’« organe sur puce ». La microfluidique permet d’entretenir les cellules en laissant s’écouler le milieu de culture (qui délivre aux cellules tous les nutriments dont elles ont besoin) durant plusieurs semaines.
Les organes sur puce sont ainsi la résultante d’un lien inextricable entre une partie puce, gouvernée par la microfluidique, et une partie biologie. En proposant des architectures tridimensionnelles et dynamiques, plus proches de la réalité humaine que les standards 2D, ils surpassent les modèles classiques in vitro. Grâce à l’utilisation de cellules humaines, ils devancent le modèle animal. Ces organes sur puce pourraient ainsi se substituer aux tests précliniques et détecter l’inefficacité ou la toxicité sur l’homme de certains composés sans avoir recours à des phases d’essais cliniques : ce serait un gain de temps et d’argent.
Au-delà des atouts économiques évidents, les organes sur puce offrent d’autres perspectives. D’abord, ils constituent un excellent modèle pour la recherche fondamentale. La puce, faite d’un matériau transparent – silicone ou plastique – peut être observée au microscope. Les différents mécanismes biologiques modélisés dans les canaux microfluidiques peuvent ainsi être étudiés dans une configuration aussi représentative que possible du corps humain, y compris avec des cellules modèles de différentes pathologies, par exemple des cellules portant une mutation du gène CFTR, propre aux cellules de patients atteints de la mucoviscidose.
Nombre d’organes ont été étudiés au cours des dernières années. Aujourd’hui, des recherches visant à améliorer notre compréhension du corps humain sont menées sur des intestins sur puce, des pancréas sur puce, des cœurs sur puce ou encore des cerveaux sur puce. On peut aussi par exemple développer un système vasculaire sur puce afin de mieux comprendre la formation des vaisseaux sanguins, qui joue un rôle essentiel dans le développement des cancers.
Vers une médecine personnalisée
Voyons plus loin encore. S’il est possible d’étudier dans une puce microfluidique des cellules humaines, pourquoi ne pas focaliser l’étude sur un groupe de personnes donné ? En faisant s’écouler différents médicaments dans la puce, des tests thérapeutiques pourraient être réalisés sur des cellules de femmes enceintes, d’enfants ou de toute autre population dont on souhaiterait connaître la réponse physiologique spécifique. Cette alternative est même parfois la seule façon de procéder. Par exemple, lorsqu’il s’agit d’étudier l’impact des radiations sur l’homme, mieux vaut que les essais soient réalisés sur des cellules déportées dans une puce !
Poussons désormais ce concept à l’extrême. S’il est possible d’étudier dans une puce microfluidique les cellules d’une population donnée, on pourrait envisager d’étudier les cellules et organes sur puce correspondant à un individu en particulier. C’est le but visé par la médecine personnalisée. Chaque patient pourrait ainsi bénéficier d’un traitement adapté à ses maux, dont l’efficacité aurait été préalablement évaluée dans « son » organe sur puce. Nous sommes en effet tous génétiquement différents, et la réponse au même médicament peut-être très variable dans la population. Ainsi en moyenne, seulement un patient sur trois répond au traitement anticancéreux qui lui est proposé. Disposer d’organes sur puce individualisés, qui contiendraient par exemple les cellules cancéreuses des patients à soigner, permettrait de tester rapidement une multitude de traitements afin de savoir lequel est le plus efficace pour combattre la tumeur d’un patient donné.
Toutefois, il demeure encore bien des défis à relever avant que les organes sur puce s’imposent chez les industriels et dans les hôpitaux. Il faut encore confirmer sur le plan scientifique leur pertinence par rapport aux modèles animaux employés à l’heure actuelle. De plus, les organes sur puce et la microfluidique en général sont encore trop souvent difficiles d’utilisation. Des efforts doivent être faits pour simplifier l’instrumentation de tels systèmes afin de proposer, au personnel hospitalier par exemple, des outils plus simples d’utilisation.
Yves Fouillet, du Laboratoire des systèmes microfluidiques et bio-ingénierie du CEA Grenoble, explique : « Les outils microfluidiques sont parfaitement adaptés à la problématique, mais il est nécessaire de les repenser pour répondre aux contraintes d’utilisation de la culture cellulaire. L’enjeu est de faciliter la dissémination des organes sur puce dans différents laboratoires, académiques ou non ». Bien qu’un gros travail pour la simplification des systèmes microfluidiques reste à mener, il est satisfaisant d’observer l’émergence de nombreuses entreprises liées aux organes sur puce ces dernières années. Le marché des organes sur puce, en augmentation de 70 % par rapport à 2015, laisse présager un avenir radieux pour les industriels. Le Wyss Institute, institut de recherche rattaché à l’université Harvard et pionnier dans le domaine des organes sur puce, fut lui-même fondé sur la devise suivante : « Une grande découverte ne peut pas changer le monde si elle ne sort pas du labo ».