Des chercheurs bernois développent un poumon sur puce de deuxième génération

Le poumon est un organe complexe dont la fonction principale est d’échanger des gaz. C’est le plus grand organe du corps humain et joue un rôle clé dans l’oxygénation de tous les organes. En raison de sa structure, de sa composition cellulaire et de son microenvironnement dynamique, il est difficile d’imiter in vitro.

Un laboratoire spécialisé du Centre de Recherche en Génie Biomédical ARTORG de l’Université de Berne, dirigé par Olivier Guenat, a développé une nouvelle génération de modèles in-vitro appelés organes sur puce depuis plus de 10 ans, en se concentrant sur la modélisation du poumon et de ses maladies.

Après un premier système de poumon sur puce à succès présentant des caractéristiques essentielles du poumon, le laboratoire Organs-on-Chip (OOC) Technologies a maintenant développé un poumon sur puce de nouvelle génération purement biologique en collaboration avec le Helmholtz Center for Infection. Recherche en Allemagne et dans les départements de chirurgie thoracique et de pneumologie de l’Inselspital.

Une barrière hémato-air entièrement biodégradable grandeur nature

Pauline Zamprogno, qui a développé le nouveau modèle pour sa thèse de doctorat à l’OOC, résume ses caractéristiques: «Le nouveau poumon sur puce reproduit un tableau d’alvéoles aux dimensions in vivo. Il est basé sur une membrane mince et extensible, réalisée avec des molécules naturellement présentes dans le poumon: le collagène et l’élastine. La membrane est stable, peut être cultivée des deux côtés pendant des semaines, est biodégradable et ses propriétés élastiques permettent de mimer les mouvements respiratoires en étirant mécaniquement les cellules. « 

Contrairement à la première génération, qui a également été construite par l’équipe autour d’Olivier Guenat, le système développé reproduit des aspects clés de la matrice extracellulaire pulmonaire (ECM): sa composition (support cellulaire en protéines ECM), sa structure (réseau d’alvéoles de dimension similaire à celles trouvées in vivo + structure des fibres) et ses propriétés (biodégradabilité, un aspect clé pour étudier le remodelage de la barrière lors de maladies pulmonaires telles que la FPI ou la BPCO). De plus, le processus de fabrication est simple et moins encombrant que celui d’une membrane poreuse extensible en polydiméthylsiloxane provenant du poumon sur puce de première génération.

Vastes applications cliniques potentielles

Les cellules à cultiver sur la nouvelle puce pour la recherche sont actuellement obtenues à partir de patients cancéreux subissant une résection pulmonaire au service de chirurgie thoracique de l’Inselspital. Le chef de service Ralph Schmid voit un double avantage dans le système: «Le poumon sur puce de deuxième génération peut être ensemencé avec des cellules alvéolaires pulmonaires saines ou malades. Cela permet aux cliniciens de mieux comprendre la physiologie pulmonaire et de disposer d’un outil dépistage des médicaments et potentiellement aussi pour la médecine de précision, identifiant la thérapie spécifique ayant le meilleur potentiel pour aider un patient particulier.

Les applications de ces membranes sont vastes, des recherches scientifiques fondamentales sur les fonctionnalités et pathologies pulmonaires, à l’identification de nouvelles voies et à une découverte plus efficace de nouvelles thérapies potentielles. « 

Thomas Geiser, chef, département de pneumologie, Inselspital et directeur, enseignement et recherche de l’Insel Gruppe

Alternative puissante aux modèles animaux en recherche

En plus, le nouveau poumon sur puce peut réduire le besoin de recherche pneumologique basée sur des modèles animaux. «De nombreux candidats médicaments prometteurs testés avec succès dans des modèles précliniques sur rongeurs ont échoué lors de tests chez l’homme en raison de différences entre les espèces et dans l’expression d’une maladie pulmonaire», explique Olivier Guenat. «C’est pourquoi, à long terme, nous visons à réduire les tests sur les animaux et à fournir des systèmes plus adaptés aux patients pour le dépistage des médicaments avec la possibilité d’adapter des modèles à des patients spécifiques (en ensemencant des organes sur puce avec leurs propres cellules).»

Le nouveau poumon sur puce biologique sera développé par Pauline Zamprogno et ses collègues du groupe OOC Technologies pour imiter un poumon atteint de fibrose pulmonaire idiopathique (FPI), une maladie chronique du poumon entraînant une cicatrisation progressive du tissu pulmonaire à l’intérieur. dans le cadre d’un projet de recherche financé par le Swiss 3R Competence Center (3RCC). «Mon nouveau projet consiste à développer un modèle IPF sur puce basé sur la membrane biologique. Jusqu’à présent, nous avons développé une barrière air-sang saine. Il est maintenant temps de l’utiliser pour enquêter sur une vraie question biologique», déclare Zamprogno.

Groupe de recherche Organes sur puce Technologies du centre ARTORG

Ce groupe spécialisé du Centre ARTORG de Recherche en Génie Biomédical développe des organes sur puce, en se concentrant sur le poumon et ses maladies, en collaboration avec les Départements de Médecine Pulmonaire et de Chirurgie Thoracique de l’Inselspital. Le groupe combine l’ingénierie, en particulier la microfluidique et la microfabrication, les méthodes de biologie cellulaire et d’ingénierie tissulaire, les sciences des matériaux et la médecine.

Leur premier développement de poumon sur puce respiratoire est développé en collaboration avec la start-up AlevoliX, dans le but de révolutionner la recherche préclinique. Récemment, le groupe a développé un poumon sur puce de deuxième génération entièrement biologique axé sur la recréation de la barrière air-sang du poumon. Une deuxième direction de recherche vise à développer une microvascularisation pulmonaire fonctionnelle. Ici, les cellules endothéliales pulmonaires sont ensemencées dans un environnement micro-conçu, où elles s’auto-assemblent pour construire un réseau de microvaisseaux perfusables et contractiles de seulement quelques dizaines de micromètres de diamètre.

Outre les applications pharmaceutiques, les organes sur puce sont considérés comme ayant le potentiel d’être utilisés en médecine de précision pour tester les propres cellules du patient afin de personnaliser la meilleure thérapie. En outre, ces systèmes ont le potentiel important de réduire les tests sur les animaux dans la recherche médicale et en sciences de la vie. Le groupe OOC exploite l’installation Organs-on-Chip, qui fournit aux scientifiques de l’Université de Berne, de l’hôpital universitaire de Berne et au-delà des infrastructures et des équipements pour produire des dispositifs microfluidiques et tester des organes sur puces.