Caché dans nos os, la moelle maintient la vie en produisant des milliards de cellules sanguines par jour, des globules rouges portant l'oxygène à des globules blancs à renforcement immunitaire. Cette fonction vitale est souvent perturbée chez les patients cancéreux subissant une chimiothérapie ou une radiothérapie, ce qui peut endommager la moelle et entraîner un nombre de cellules blanches dangereusement faibles, laissant les patients vulnérables à l'infection.
Maintenant, les chercheurs de l'École d'ingénierie et d'application des sciences de l'Université de Pennsylvania (Penn Engineering), de la Perelman School of Medicine (PSOM) et de l'hôpital pour enfants de Philadelphie (CHOP) ont développé une plate-forme qui émule l'environnement natif de la Marrow humaine. Cette percée répond à un besoin critique en science médicale, car les études animales ne parviennent souvent pas à reproduire pleinement les complexités de la moelle humaine.
Sommaire
Imiter la moelle humaine
Le nouvel appareil de l'équipe est une petite puce en plastique dont les chambres spécialement conçues sont remplies de cellules souches de sang humain et des cellules de soutien environnantes avec lesquelles ils interagissent dans un hydrogel pour imiter le processus complexe du développement de la moelle osseuse dans l'embryon humain. Cette plate-forme d'inspiration biologique permet de construire des tissus de moelle humaine vivants qui peuvent générer des cellules sanguines humaines fonctionnelles et de les libérer dans les milieux de culture qui coulent dans des vaisseaux sanguins capillaires d'ingénierie.
La moelle osseuse sur la puce permet aux chercheurs de simuler et d'étudier les effets secondaires courants des traitements médicaux, tels que la radiothérapie et la chimiothérapie pour les patients cancéreux. Lorsqu'il est connecté à un autre appareil, il peut même modéliser la façon dont la moelle osseuse communique avec d'autres organes, comme les poumons, pour les protéger des infections et d'autres conditions potentiellement mortelles.
Décrit dans un nouvel article dans Cellule souche cellulaire, Le modèle de moelle osseuse et la démonstration de sa production et de son automatisation à grande échelle pourraient faire progresser les champs aussi divers que le développement de médicaments en permettant un dépistage préclinique automatisé et à haut débit de la toxicité de la moelle des médicaments anticancéreux) et des voyages spatiaux (en permettant aux chercheurs d'étudier les effets d'une exposition prolongée sur les rayonnements et de la microgravité sur le système immunitaire des astronautes).
Nous avons parcouru un long chemin en termes de capacité à régénérer les tissus humains in vitro et imitent leurs fonctions complexes, mais je dirais que ce système est probablement l'un des modèles de tissus bio-ingénients les plus sophistiqués développés à ce jour. Par exemple, nous montrons pour la première fois dans cet article la faisabilité de la création de modèles d'organe sur puce interconnectés de la moelle et des poumons infectés par la moelle et les bactéries pour imiter la diaphonie biochimique entre les deux organes et l'ensemble du processus d'immunité innée innée Réponse à l'infection, de la libération rapide d'un grand nombre de globules blancs de la moelle dans la circulation sanguine à leur trafic dans les voies respiratoires infectées où elles combattent l'infection en engloutissant les cellules bactériennes. «
Dan Huh, professeur en bio-ingénierie et auteur principal de Paper
Origines extraterrestres
Le projet a initialement commencé dans le but d'étudier le système immunitaire dans l'espace. Il y a près d'une décennie, Huh et G. Scott Worthen, médecin traitant à Chop, professeur émérite en pédiatrie au PSOM et auteur de la journal, ont proposé de développer un modèle de moelle osseuse humaine et de l'envoyer à la Station spatiale internationale (ISS) . « Sur la base de l'accumulation de preuves montrant un risque accru d'infection dans les astronautes sur des missions prolongées, nous voulions étudier comment l'apesanteur affecte notre système immunitaire », explique Worthhen. « Notre hypothèse était que la microgravité pourrait avoir des effets négatifs. »
Malheureusement, les chercheurs n'ont jamais eu la chance de mener des expériences appariées – certaines sur Terre et d'autres sur l'ISS – dont ils pouvaient comparer les résultats. « À notre déception, le contrôleur de flux du système Cubelab requis pour maintenir nos modèles de tissus conçus court-circuités pendant la montée », se souvient Huh. « Et le deuxième lancement a été annulé en raison de la pandémie. »
Pourtant, la nouvelle puce s'est avérée avoir une multitude d'utilisations. « Malgré l'échec de nos expériences spatiales proposées, travailler sur ce projet a été l'une des expériences les plus gratifiantes de ma carrière de recherche. Je trouve vraiment excitant qu'en utilisant ce système, nous pouvons maintenant imiter certaines des fonctionnalités les plus essentielles de la moelle humaine et de notre système immunitaire.
Emprunter la recette de la nature
La moelle osseuse est composée de plusieurs ingrédients principaux. Il s'agit notamment des cellules souches hématopoïétiques (CSH), qui se différencient en nombreux types de cellules dans le sang humain; cellules endothéliales, qui composent les parois des vaisseaux sanguins; et les cellules mésenchymateuses, qui construisent et maintiennent le tissu conjonctif de la moelle
Dans le passé, les chercheurs ont essayé de combiner ces ingrédients, mais ont eu du mal à reproduire la structure et le comportement de la moelle humaine réelle. « Tous les organes du corps humain sont complexes, mais l'inexaction anatomique et les subtilités biologiques uniques de la moelle osseuse humaine en ont fait une tâche intimidante de modéliser et d'étudier sa physiologie in vitro», dit hein.
La percée clé était de se concentrer sur la réplication de la façon dont les embryons humains développent la moelle osseuse. In utero, la croissance de la moelle osseuse implique de multiples processus qui se chevauchent, entraînés par une poignée de types de cellules clés, qui « s'auto-organisation » en réponse aux signaux environnementaux, formant finalement des colonies de cellules souches dans un réseau dense de vaisseaux sanguins qui transportent de nouvelles cellules au reste du corps.
Découvrez exactement comment cultiver les types de cellules nécessaires à Andrei Georgescu (Geng'21), un ancien doctorant du laboratoire de Huh qui est désormais PDG de Vivodyne, la startup que lui et Huh ont co-fondé pour commercialiser un organe-sur-a -PHIP TECHNOLOGIE. « Le principe de conception que nous démontrons dans cet article est unique et différent des approches conventionnelles en ce qu'elle repose sur la capacité des cellules STEM et progénitrices à s'auto-organisation et à s'auto-assembler en tissus complexes », explique Georgescu. « En d'autres termes, lorsqu'ils sont cultivés dans le« bon »environnement, ces cellules peuvent se transformer en tissus réalistes aux propriétés physiologiques. Comme c'est souvent le cas, trouver de telles conditions nécessitait beaucoup de travail.»
Vers le Saint Graal de la thérapie cellulaire
Parmi les principales conclusions de ce travail, il a non seulement été que la puce de moelle peut non seulement produire des cellules sanguines, mais fournit également un environnement propice au maintien des cellules de la tige hématopoïétique et des progéniteurs pendant de longues périodes. Cela signifie que la puce pourrait potentiellement aider les chercheurs à comprendre les signaux et conditions biologiques nécessaires pour maintenir ou même étendre les cellules souches hématopoïétiques isolées de donneurs humains par le biais de procédures médicales coûteuses et invasives. « Compte tenu de la signification clinique de la transplantation de cellules souches hématopoïétiques pour traiter divers troubles, explorer l'utilité de notre technologie pour les thérapies cellulaires basées sur la CSH sera un objectif important de nos travaux futurs », explique Huh.
