Le poumon est l’un des tissus les plus sensibles aux radiations du corps humain. Les personnes exposées à de fortes doses de rayonnement à la suite d’accidents nucléaires développent des lésions pulmonaires radio-induites (RILI), qui affectent la fonction de nombreux types de cellules pulmonaires, provoquant une inflammation aiguë et prolongée et, à plus long terme, un épaississement et une cicatrisation du tissu pulmonaire. connue sous le nom de fibrose. Le RILI est également un effet secondaire courant de la radiothérapie administrée aux patients atteints de cancer pour tuer les cellules malignes de leur corps, et peut limiter la dose de rayonnement maximale que les médecins peuvent utiliser pour contrôler leurs tumeurs, ainsi que nuire considérablement à la qualité de vie des patients.
Les médicaments anti-inflammatoires administrés aux patients pendant la radiothérapie peuvent atténuer l’inflammation des poumons, appelée pneumopathie, mais tous les patients n’y réagissent pas aussi bien. En effet, le RILI est un trouble complexe qui varie d’un patient à l’autre et est influencé par des facteurs de risque, tels que l’âge, l’état du cancer du poumon et d’autres maladies pulmonaires préexistantes, et probablement par la constitution génétique du patient. En cas d’accidents nucléaires, qui impliquent généralement une exposition unique à des doses de rayonnement beaucoup plus élevées, il n’existe pas encore de contre-mesures médicales susceptibles de prévenir et de protéger contre les dommages causés aux poumons et à d’autres organes, ce qui en fait une priorité clé du Administration américaine des produits alimentaires et médicamenteux (FDA).
Un obstacle majeur au développement d’une compréhension beaucoup plus approfondie des processus pathologiques déclenchés par les radiations dans les poumons et d’autres organes, qui constituent la base de la découverte de contre-mesures médicales, est le manque de systèmes modèles expérimentaux récapitulant exactement comment les dommages se produisent chez l’homme. Les modèles précliniques sur petits animaux ne parviennent pas à produire les caractéristiques clés de la physiopathologie humaine et n’imitent pas les sensibilités à la dose observées chez l’homme. Et bien que les modèles de primates non humains soient considérés comme la référence en matière de radiolésions, ils sont rares, coûteux et soulèvent de sérieuses préoccupations éthiques ; ils ne sont pas non plus humains et ne parviennent parfois pas à prédire les réponses observées lorsque les médicaments entrent dans la clinique.
Aujourd’hui, une équipe de recherche multidisciplinaire du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université Harvard et du Boston Children’s Hospital, dirigée par le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., dans le cadre d’un projet financé par la FDA, a développé un in vitro modèle qui imite fidèlement les complexités du RILI et la sensibilité à la dose de rayonnement du poumon humain. Les alvéoles pulmonaires sont les petits sacs aériens où l’oxygène et le CO2 un échange entre les poumons et le sang a lieu et constitue le site principal de la pneumopathie radique. Utilisation d’une puce microfluidique d’alvéole pulmonaire humaine précédemment développée, recouverte de cellules épithéliales alvéolaires pulmonaires humaines interfacées avec des cellules capillaires pulmonaires pour recréer l’interface alvéolaire-capillaire in vitro, les chercheurs ont récapitulé bon nombre des caractéristiques du RILI, notamment les lésions de l’ADN induites par les radiations dans les tissus pulmonaires, les modifications spécifiques aux cellules dans l’expression des gènes, l’inflammation et les lésions des cellules épithéliales du poumon et des cellules endothéliales tapissant les vaisseaux sanguins. En évaluant également le potentiel de deux médicaments pour supprimer les effets du RILI aigu, les chercheurs ont démontré les capacités de leur modèle en tant que plate-forme avancée, pertinente pour l’homme, préclinique et de découverte de médicaments. Les résultats sont publiés dans Communications naturelles.
Mieux comprendre comment les lésions radiologiques se produisent et trouver de nouvelles stratégies pour les traiter et les prévenir posent un défi à multiples facettes qui, face aux menaces nucléaires et aux réalités des thérapies anticancéreuses actuelles, nécessite des solutions entièrement nouvelles. Le modèle Lung Chip que nous avons développé pour récapituler Le développement de RILI s’appuie sur notre vaste expertise en culture de puces d’organes microfluidiques et, en combinaison avec de nouveaux outils analytiques et informatiques de découverte de médicaments et de biomarqueurs, nous donne de nouvelles avancées puissantes dans ce problème.
Donald Ingber, MD, Ph.D., directeur fondateur de Wyss
Ingber 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 bioinspirée à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Humain avancé in vitro modèle de RILI
La puce d’alvéole pulmonaire humaine est un système de culture microfluidique à 2 canaux dans lequel les cellules épithéliales alvéolaires pulmonaires humaines primaires sont cultivées dans un canal où elles sont exposées à l’air comme elles le seraient dans les poumons. Ils sont également interfacés à travers une membrane poreuse avec des cellules endothéliales capillaires pulmonaires humaines primaires dans le canal parallèle qui sont constamment perfusées avec un milieu nutritif semblable au sang qui contient des cellules immunitaires humaines en circulation, qui peuvent également contribuer aux réponses aux radiations. Cette interface alvéolaire-capillaire, soigneusement conçue et immunologiquement active, subit également des mouvements mécaniques cycliques imitant les mouvements respiratoires réels. Il est important de noter que cette puce pulmonaire respirante peut être exposée de manière transitoire à des doses de rayonnement cliniquement pertinentes, puis étudiée pour en déterminer les effets sur une période de temps prolongée.
Lorsque la puce des alvéoles pulmonaires a été exposée à des doses croissantes de rayonnement, les réponses au niveau des cellules, des tissus et des organes modélisées sur la puce se sont étroitement alignées sur les observations cliniques et, surtout, ont offert de nouvelles informations sur le RILI. Après une radiothérapie ponctuelle, l’équipe a pu observer des cassures dans les chromosomes des cellules avec activation de la machinerie de réparation de l’ADN associée, dont le nombre augmentait avec la quantité de rayonnement appliquée à la puce des alvéoles pulmonaires. Cela s’est accompagné d’une augmentation des niveaux d’espèces réactives de l’oxygène, connues pour endommager également l’ADN, ainsi que de nombreux autres types de molécules. Les cellules ont commencé à augmenter leur taille, un phénomène connu sous le nom d’hypertrophie, couramment observé dans les lésions alvéolaires. in vivola barrière constituée de cellules endothéliales et épithéliales étroitement emballées a commencé à se briser et le liquide s’est écoulé à travers le canal endothélial accumulé dans le canal épithélial.
« Fait intéressant, nous avons cartographié les niveaux de multiples cytokines pro-inflammatoires sur une période de sept jours après la radiothérapie, ce qui est particulièrement important pour évaluer les lésions radiologiques imminentes au poumon. Les symptômes du RILI chez les patients ne commencent à apparaître qu’après une semaine après l’exposition. , mais l’inflammation précédente ne peut pas être capturée chez les patients », a déclaré le premier auteur Queeny Dasgupta, Ph.D., qui a dirigé le projet en tant que chercheur postdoctoral dans l’équipe d’Ingber et est maintenant scientifique chez Systemic Bio, une société de systèmes 3D. « Une fois que le RILI s’est manifesté chez les patients, il est souvent trop tard pour sauver le tissu pulmonaire affecté. »
L’équipe a découvert que les premières cytokines pro-inflammatoires commençaient à être régulées positivement déjà 6 heures après l’application de fortes doses de rayonnement, et que leur nombre et leurs niveaux continuaient d’augmenter jusqu’au septième jour, la fin de leur période d’observation. Il est important de noter que cette tendance était beaucoup plus prononcée dans les cellules endothéliales vasculaires que dans les cellules épithéliales pulmonaires. En parallèle, la lésion cellulaire de la puce des alvéoles pulmonaires a été inversée dans les cellules épithéliales au fil du temps, mais, en revanche, elle a été maintenue dans les cellules endothéliales, reproduisant les observations cliniques selon lesquelles le RILI avait un impact prédominant sur l’endothélium vasculaire des alvéoles.
Des radiolésions aux gènes et aux cibles
Pour comprendre plus systématiquement les changements cellulaires déclenchés par les radiations dans la puce pulmonaire et identifier des cibles potentielles de médicaments, les chercheurs ont analysé les programmes complets d’expression génique des cellules épithéliales et endothéliales au fil du temps. Cela leur a permis non seulement de mieux définir les réponses inflammatoires précoces et ultérieures spécifiques aux cellules, mais également de générer des données d’expression génique sur le génome entier qu’ils pourraient alimenter dans un algorithme informatique basé sur l’apprentissage automatique appelé « Modèle de réseau pour la causalité. Découverte » (NeMoCAD). NeMoCAD avait précédemment permis à l’équipe d’Ingber de prédire des cibles thérapeutiques et de réutiliser des médicaments qui inversent les états pathologiques. L’analyse les a amenés à se concentrer sur un gène appelé HMOX1, impliqué dans une réponse antioxydante, et dont l’expression a été régulée positivement immédiatement après l’exposition aux radiations et est restée élevée tout au long des sept jours de l’enquête.
« Nous avons constaté qu’une augmentation supplémentaire des niveaux de HMOX1 avec le médicament lovastatine dans la puce des alvéoles pulmonaires réduisait les dommages à l’ADN et l’hypertrophie cellulaire peu de temps après la radiothérapie, de la même manière que le médicament anti-inflammatoire prednisolone, que nous avons utilisé comme contrôle positif. Plus tard, cependant, la lovastatine a aggravé la perturbation de la barrière endothéliale. En fait, en inhibant expérimentalement l’expression de HMOX1 au cours des stades ultérieurs, nous pourrions partiellement inverser ses effets indésirables ultérieurs », a expliqué Dasgupta. « Cela a montré que la fonction HMOX1 est en effet très pertinente pour le développement de RILI, mais suggère également que le ciblage de HMOX1 et peut-être de cibles liées à d’autres processus potentiels pourrait nécessiter une approche thérapeutique plus équilibrée. »
L’étude fait partie d’une campagne plus vaste menée à l’Institut Wyss visant à étudier les dommages aigus causés par les radiations dans plusieurs organes et tissus. Le groupe a déjà modélisé des lésions radiologiques aiguës dans des modèles de puces d’organes de l’intestin et de la moelle osseuse, et chacun présentait une sensibilité différente à la dose de rayonnement qui correspondait à celle des humains. L’équipe d’Ingber spécule également que les dommages causés par les radiations dans un organe pourraient également affecter le fonctionnement d’autres organes et prévoit d’aborder cette possibilité en reliant microfluidiquement différentes puces d’organes à l’avenir. Ils pensent également que les hypersensibilités des patients prédisposés aux radiations par d’autres maladies pulmonaires pourraient être modélisées dans des puces d’alvéole pulmonaire personnalisées.
Les autres auteurs de l’étude sont des membres passés et présents de l’équipe d’Ingber, notamment Amanda Jiang, Amy Wen, Robert Mannix, Yuncheng Man, Sean Hall et Emilia Javorsky. Le travail a été financé par la FDA (sous la subvention n° 75F40119C10098) et le Wyss Institute de l’Université Harvard.
