Chez les patients développant une maladie hépatique terminale, les dommages sont devenus trop graves pour que la capacité de régénération normalement extraordinaire du foie puisse les réparer ou les compenser. Une fois ce « point de non-retour » atteint, la seule option est la greffe d’organe. Cependant, obtenir une greffe du foie est extrêmement difficile en raison de la forte demande et de l’offre limitée : environ 9 000 à 10 000 personnes atteintes d’une maladie du foie figurent à tout moment sur la liste nationale des transplantations aux États-Unis, et environ 20 % d’entre elles deviennent trop malades pour recevoir une greffe ou meurent en attendant.
Des efforts ambitieux sont en cours qui pourraient éventuellement permettre l’ingénierie d’organes hépatiques implantables entiers. Mais jusqu’à présent, la taille maximale des constructions hépatiques fabriquées en laboratoire reste limitée et ne peut pas encore apporter de bénéfices thérapeutiques aux patients. Aujourd'hui, une équipe de recherche du Wyss Institute de l'Université Harvard, de l'Université de Boston et du MIT dirigée par Christopher Chen, MD, Ph.D., membre du corps professoral du Wyss Institute. et Sangeeta Bhatia, MD, Ph.D., membre associé du corps professoral, ont abordé ce problème important sous un angle différent.
« Nous avons demandé s'il serait possible d'implanter d'abord une construction hépatique à petite échelle, puis de la pousser à se développer dans le corps après sa greffe. Un « foie satellite » suffisamment développé et fonctionnel pourrait immédiatement soulager la charge métabolique d'un foie endommagé et aider à combler le temps jusqu'à ce qu'une greffe soit disponible « , a déclaré Chen. « Ce projet était une extension naturelle de notre collaboration de longue date dans l'ingénierie thérapeutique des tissus hépatiques, et une combinaison parfaite de l'expertise de Sangeeta en nanotechnologies et en bio-ingénierie hépatique, et de la mienne en ingénierie cellulaire et en vascularisation. » Chen est aussi le William Fairfield Warren Professeur émérite de génie biomédical et directeur du Biological Design Center de l'Université de Boston. Il est également l'un des dirigeants de l'initiative d'ingénierie des organes 3D du Wyss Institute et chef d'équipe du projet ImPLANT récemment récompensé par ARPA-H PRINT, qui se concentre sur l'ingénierie du foie d'organes entiers au Wyss et dans les institutions collaboratrices. Bhatia est aussi le Professeur John J. et Dorothy Wilson de sciences et technologies de la santé et de génie électrique et informatique au Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT et chercheur au Howard Hughes Medical Institute.
L'équipe de Chen et Bhatia, dirigée par Amy Stoddard, Ph.D. (MIT '25) qui a développé cette stratégie dans ses recherches doctorales puis en tant que boursière postdoctorale, a intégré des outils d'ingénierie tissulaire et de biologie synthétique dans une stratégie génétique qu'ils ont appelée « excroissance à la demande de bio-ingénierie via déclenchement de la biologie synthétique », ou en abrégé BOOST. En recâblant spécifiquement l'expression génique des hépatocytes primaires du foie et des cellules de fibroblastes de soutien, ils ont pu activer efficacement un programme de croissance tissulaire dans de petites constructions hépatiques modifiées après leur implantation chez la souris. Leurs résultats sont publiés dans Avancées scientifiques.
Signaux verts pour une croissance hépatique artificielle
Être capable d'induire la croissance d'une petite construction hépatique implantée sur place dans le corps d'un receveur, les chercheurs devaient d'abord identifier les signaux pertinents qui leur permettraient de le faire.
Puisque l’on sait que la croissance du foie est régulée par des facteurs de croissance solubles (GF), Stoddard a examiné un ensemble de facteurs candidats pour identifier ceux qui, une fois ajoutés aux cellules hépatocytaires primaires humaines (HEP) cultivées, avaient les effets inducteurs de croissance les plus puissants. « Nous nous sommes retrouvés avec un ensemble de quatre facteurs de croissance, HGF, TGFa, WNT2 et RSPO3, qui induisaient puissamment des HEP dispersés dans la boîte de culture. Mais lorsque nous avons testé s'ils pouvaient faire la même chose dans des tissus hépatiques 3D constitués de HEP et de fibroblastes densément emballés, ils se sont révélés inefficaces », a déclaré Stoddard, co-encadré par Chen et Bhatia. « Cela nous a amené à émettre l'hypothèse qu'il doit y avoir un mécanisme supplémentaire à l'œuvre dans les HEP humains qui inhibe la prolifération cellulaire dans des conditions de haute densité. »
L'équipe s'est concentrée sur une protéine intracellulaire intéressante connue sous le nom de YAP, qui détecte les signaux mécaniques et qui se déplace du cytosol des cellules vers leur noyau dans des conditions de faible densité pour aider à exprimer les gènes impliqués dans la prolifération cellulaire. Cependant, dans des conditions de densité élevée, lorsque les cellules sont comprimées, le YAP est dégradé dans le cytosol, ce qui empêche l'activation de ces gènes cibles et limite la prolifération. « Il est important de noter que lorsque nous avons surexprimé une version non dégradable de YAP dans les HEP, qui atteint également le noyau dans des conditions de haute densité pour participer à la régulation des gènes, nous avons réussi à contourner ce point de contrôle de densité dans les HEP. Fait intéressant, nous avons découvert que les HEP devaient être stimulés à la fois par YAP et par GF afin de se développer dans des tissus hépatiques 3D densément emballés », a déclaré Stoddard, ajoutant que « malgré près d'un siècle de Dans le cadre de recherches sur la régénération du foie, la grande majorité des informations ont été tirées de l'étude des rongeurs. Nous démontrons dans notre étude que la régulation de la croissance du foie humain est légèrement plus compliquée.
Traduction par la biologie synthétique
Dans le but d'induire et de contrôler en toute sécurité la prolifération des HEP dans un organisme vivant, et éventuellement chez des patients humains, les chercheurs ont déployé des outils de biologie synthétique pour installer localement le contrôle de ces voies de signalisation dans les HEP et les cellules fibroblastiques au sein des tissus hépatiques 3D eux-mêmes. Ils ont conçu des lignées cellulaires de fibroblastes qui sécrétaient chacune l'un des quatre GF et des HEP exprimant la protéine YAP non dégradable. Et ils ont rendu l’expression de toutes les protéines « inductibles », ce qui signifie qu’elles n’étaient produites qu’en présence de l’antibiotique commun et inoffensif doxycycline (DOX), et plus une fois la DOX retirée – une astuce courante utilisée par les biologistes pour étudier leurs protéines d’intérêt de manière contrôlée. L’équipe a déterminé au cours d’expériences au cours du temps qu’un traitement continu de sept jours avec DOX a conduit le tissu hépatique 3D composé de cellules modifiées à augmenter de manière robuste en taille et en nombre de cellules dans la boîte de culture, et que l’élimination de DOX a ramené les HEP à un état de non-prolifération. « Cependant, lorsque nous avons comparé l'expression génique de cellules uniques dans un tissu hépatique 3D induit par BOOST et induit par DOX à celle de cellules dans un tissu hépatique 3D non modifié ou induit par BOOST, nous avons remarqué que l'expansion s'accompagnait d'un compromis : des taux de prolifération élevés allaient de pair avec un état HEP moins fonctionnel. Bien que nous pensons qu'il s'agit d'un compromis naturel observé dans une grande variété de contextes biologiques, nous espérons pouvoir résoudre ce problème dans le l'avenir, reconnaissant que le foie dispose également de signaux natifs de refonctionnalisation à exploiter », a expliqué Stoddard.
Cependant, le test décisif pour la croissance des tissus hépatiques 3D grâce à BOOST était de voir s’ils se développeraient de la même manière après leur implantation dans des souris vivantes traitées systémiquement avec DOX pendant la même durée de sept jours. En effet, le tissu implanté a présenté une augmentation frappante de 500 % de la prolifération avec un doublement des seuls HEP modifiés et il a été vascularisé pour répondre aux demandes métaboliques du tissu expansé. Ils ont également été bien tolérés par les souris, qui n'ont développé aucun signe de fibrose dû à l'invasion de cellules immunitaires, à une inflammation des fibroblastes ou à une croissance tumorale. « Ces résultats nous ont semblé particulièrement intéressants », a déclaré Stoddard. « Avant notre travail, une lésion du foie de l'hôte était toujours nécessaire pour déclencher la greffe et la prolifération d'hépatocytes. Ici, nous avons pu soulager cette dépendance et déclencher la croissance à la demande du tissu hépatique implanté chez un hôte en parfaite santé ». À l’avenir, l’équipe explorera la capacité du tissu hépatique BOOSTé à sauver l’hôte en cas de lésion hépatique.
« Notre stratégie BOOST pose les bases d'un avenir dans lequel les thérapies à base de cellules d'organes solides pourront être contrôlées de manière non chirurgicale en fonction des besoins des patients et de leurs médecins. Au-delà du traitement des maladies du foie, les prémisses de BOOST pourraient être appliquées à d'autres thérapies tissulaires artificielles qui sont également limitées par les défis associés à la croissance des tissus, comme la modification du tissu cardiaque ou pancréatique pour traiter des maladies graves », a déclaré Bhatia.
« Cette étude collaborative née de l'expertise unique des laboratoires de Chris et Sangeeta et de leurs efforts soutenus pour relever le défi de la pénurie de foie a conduit à une solution entièrement nouvelle pour le foie qui peut tout aussi bien être utile pour faire face à d'autres maladies. Cela démontre magnifiquement comment nous travaillons à l'Institut Wyss pour changer la vie des patients qui sont souvent à court d'autres options », a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. qui est aussi le Professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children's Hospital, et au Professeur Hansjörg Wyss d'ingénierie d'inspiration biologique à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
