Dans cette interview, la Dre Nancy Allbritton du Allbritton Lab parle àMa Cliniqueand Life Sciences de la technologie et des techniques révolutionnaires pour l'application de nouvelles technologies en oncologie et en recherche sur les cellules souches.
Le Dr Nancy Allbritton donne un aperçu de l'organe sur puce et la capacité qu'il a de surveiller et de contrôler l'environnement au niveau cellulaire et tissulaire est l'une des applications les plus prometteuses pour les systèmes de micro-ingénierie. Le Dr Allbritton présentera ses recherches et ses résultats au Pittcon 2020 à Chicago.
Sommaire
Quels sont les systèmes microphysiologiques (organes sur puces) et pourquoi deviennent-ils de plus en plus importants en biologie et en médecine?
Les systèmes microphysiques cherchent à reproduire la plus petite unité fonctionnelle d'un organe. Pour l'intestin sur puce, il peut s'agir de petites ou de grandes cryptes intestinales. Pour un cœur, il peut s'agir d'une section de muscle contractile. Pour le foie, il peut s'agir d'un lobule hépatique ou d'un groupe de lobules. C'est un groupe de cellules interconnectées de sorte qu'elles ne se comportent pas seulement comme une seule cellule ou simplement comme un petit cluster, mais elles ont commencé à montrer un comportement et un fonctionnement d'ordre supérieur.
Je pense que l'une des raisons pour lesquelles les systèmes microphysiques deviennent de plus en plus importants est que nous avons fait beaucoup de percées dans la technologie des cellules souches. La capacité de développer des cellules souches humaines à partir de différents organes est maintenant présente, ainsi que la capacité de créer un tissu de types cellulaires différenciés à partir de cellules souches primaires ou de cellules spécifiques à un organe à partir de cellules souches pluripotentes induites.
En ce moment, c'est le moment idéal pour cette technologie, car nous avons réuni toutes les méthodes de microfabrication et les innovations en biologie des cellules souches. Une autre raison pour laquelle les organes sur puces deviennent importants est la capacité de développer des tissus humains. Il est très difficile de faire des expériences sur la population humaine et d'obtenir une bonne représentation de la population, soit parce que les gens ne font pas de bénévolat ou parce qu'il n'y a tout simplement pas assez de personnes dans ce groupe particulier d'individus. Avec la puce, vous pouvez commencer à échantillonner la variation tissulaire à l'échelle de la population. Les organes sur puces peuvent également être un meilleur moyen de tester les médicaments. Plutôt que de tester des cellules dans une boîte, qui sont généralement des cellules tumorales et très anormales dans leur croissance et d'autres caractéristiques, des organes sur puces construits à partir de cellules humaines normales peuvent être utilisés pour obtenir une représentation plus précise de la façon dont les médicaments affecteront les humains. De plus, ils peuvent surpasser les expériences murines de plusieurs façons, car les humains ne sont pas simplement des souris de 70 kg.
Nous avons pu guérir des souris de toutes sortes de maladies, mais une grande partie de ce travail ne s’est pas traduite pour les humains. Donc, bien que ce soit une bonne technologie de dépistage, beaucoup de médicaments qui étaient assez toxiques pour les humains, puis beaucoup de médicaments qui ont peut-être bien fonctionné chez l'homme, mais qui étaient toxiques pour les souris, ont été bloqués.
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Les dispositifs microphysiologiques devraient maximiser le nombre de bons médicaments qui pourraient bien fonctionner chez l'homme. J'espère que vous pourrez également obtenir des informations de plus grande valeur et créer un bien meilleur pipeline de médicaments. Je pense que le dépistage à haut débit sur les sous-unités d'organes sur des appareils microfabriqués peut compléter le dépistage des médicaments chez l'homme. L'idée est que vous pourriez être en mesure de réduire les coûts de plusieurs façons;
- réduire le nombre d'études animales
- retirer les médicaments inefficaces du pipeline plus tôt (les mauvais médicaments échouent plus tôt dans le pipeline)
- minimiser la mesure dans laquelle les études humaines sont nécessaires
Je pense que vous pouvez également commencer à développer des modèles de maladies humaines. Vous pouvez créer des modèles murins de maladies humaines, mais ils ne résument presque jamais complètement les maladies humaines. Même lorsqu'il s'agit d'une simple mutation génétique, les souris peuvent souvent être asymptomatiques ou présenter différents symptômes et résultats de cette mutation. Avec l'organe sur puce, vous pouvez avoir des tissus humains fonctionnels qui imitent de nombreux symptômes des maladies humaines. Encore plus excitant, on peut commencer à mettre, par exemple, un intestin sur puce couplé au microbiome intestinal humain ou à la flore intestinale et commencer à comprendre comment les tissus et le microbiote interagissent.
Ceci est important car notre flore intestinale est très différente de celle d'une souris et d'autres organismes modèles. Nous savons maintenant que les microbes intestinaux ont un énorme impact physiologique dans tout notre corps, y compris le métabolisme et la mentation, notre comportement alimentaire, et ce sont des aspects du comportement humain ou de la physiologie qui ne peuvent pas être récapitulés dans un modèle animal ou des cellules dans un plat.
À terme, nous pourrons assembler des organes humains sous forme de systèmes d'organes sur puce humains. Par exemple, la nourriture est ajoutée au modèle intestinal et absorbée, les nutriments voyagent vers le foie, le foie métabolise les composés absorbés en les envoyant dans le corps dans son ensemble, y compris le cerveau et le cœur. Les organes doivent être liés ensemble pour voir le plein effet dans lequel le comportement ou le fonctionnement d'un organe affecte les autres organes connectés. Cela ne remplacera jamais un être humain pleinement fonctionnel, mais je pense que l'on s'attend à ce qu'il finisse par être beaucoup plus précis et, à certains égards, moins cher que les souris ou d'autres systèmes de mammifères modèles.
Les systèmes d'organes sur puce nous aideront à comprendre la biologie de base et la physiologie de base de l'homme.
Pourquoi de nouvelles méthodes d'ingénierie sont-elles nécessaires pour les systèmes microphysiologiques?
Les dispositifs microphysiologiques dépendent de nombreux domaines de la chimie pour leur avancement, y compris la chimie organique synthétique, polymère et analytique. Nous avons besoin de plus de matrices synthétiques pour soutenir les cellules et les tissus, y compris des polymères intelligents et des matériaux d'échafaudage qui soutiendront, dirigeront et façonneront ces systèmes d'organes. À l'heure actuelle, les gens utilisent souvent des matrices dérivées de matériaux biologiques natifs, comme le collagène ou le matrigel, qui sont chers et pas entièrement définis. Les chimistes des polymères et les chimistes synthétiques travaillent dur pour développer de nouveaux matériaux et matrices tandis que les chimistes analytiques, ainsi que les ingénieurs, développent des matériaux et des méthodes pour la fabrication de microdispositifs, des améliorations de capteurs et d'autres innovations liées aux dispositifs.
Les systèmes microphysiologiques auront clairement besoin d'un ensemble de capteurs intégrés et externes pour surveiller leur santé et leur bien-être ainsi que leurs attributs physiopathologiques. Ils auront besoin de capteurs intégrés robustes, fiables (et souvent miniaturisés) pour la consommation d'oxygène, la concentration de glucose, le CO2 la production, le pH et d'autres attributs chimiques et physiques. Il est important que les capteurs ne perturbent pas le système. Ces capteurs nécessiteront probablement une instrumentation externe ou des méthodes de détection pour surveiller les capteurs intégrés, par exemple, des lectures RFID ou optiques.
Pour l'ingénierie et la chimie, ce seront des domaines immenses où beaucoup peuvent contribuer à faire avancer le domaine. Pour l'ingénierie, en particulier, il sera important de développer des moyens de créer des systèmes intégrés qui soient efficaces, à faible coût, manufacturables, livrables, autonomes et capables de communiquer entre eux. C'est un domaine où l'ingénierie et la chimie doivent travailler ensemble dans une approche d'équipe pour faire avancer le domaine. Cela va prendre les deux disciplines pour vraiment faire avancer le domaine.
Qu'est-ce que la technologie microfabriquée et comment peut-elle être utilisée pour surmonter ces problèmes?
La technologie microfabriquée fait référence aux appareils développés avec des fonctionnalités de taille micrométrique. Les cellules ont des diamètres de l'ordre de 10 microns et de nombreuses sous-unités d'organes s'étendent sur des centaines de microns, de sorte que des caractéristiques architecturales de taille micrométrique sont nécessaires pour récapituler les caractéristiques clés. Par exemple, les grandes cryptes intestinales (la sous-unité physiologique clé du gros intestin) ont une longueur d'environ 400 microns et une largeur de 100 microns, la niche des cellules souches s'étendant sur des dizaines de microns. Ainsi, les méthodes de microfabrication sont parfaites pour reconstruire de nombreuses caractéristiques architecturales clés du gros intestin.
Lorsqu'il s'agit de reconstruire des éléments architecturaux tels que l'intestin grêle, les méthodes de microfabrication sont parfaites pour cela. Crédit d'image: Shutterstock / nobeastsofierece
Comment les plates-formes microfabriquées utilisées dans votre laboratoire ont-elles été développées?
Nous faisons de l'intestin sur puce, qui est principalement le gros intestin et possède plusieurs plates-formes de complexité variable. Les plus simples sont les monocouches épithéliales intestinales humaines qui ont une cellule souche et / ou différenciée. Ceux-ci peuvent être utilisés pour évaluer comment l'intestin transporte et métabolise les médicaments et les nutriments ou comment les cellules souches se différencient en types de cellules productrices de mucus, hormonales ou absorbantes. Ces systèmes sont conçus pour être des systèmes modèles à plus haut débit qui sont simples mais ne possèdent pas le plus grand contenu d'information possible. Cependant, ils sont robustes et fiables. Nous avons également des tissus 3D complexes qui reproduisent un large éventail de comportements physiologiques ainsi que les caractéristiques architecturales de l'intestin humain. Il est important de noter que bon nombre de ces systèmes prendront en charge le large éventail de gradients chimiques et gazeux trouvés dans l'intestin humain. Ils peuvent également héberger le microbiome humain afin qu'une meilleure compréhension de l'interaction complexe entre les cellules humaines et les microbes puisse être développée à la fois pour la santé et la maladie.
Comme avec tous nos systèmes modèles, nous conseillons généralement aux utilisateurs de nos systèmes d'employer la plate-forme la plus simple possible, puis d'ajouter la complexité nécessaire pour la tâche à accomplir.
Comment avez-vous utilisé les plateformes pour créer des structures qui ressemblent à des tissus in vivo?
Nous avons des plates-formes plus complexes qui sont conçues pour reproduire un grand nombre des différentes caractéristiques de l'intestin humain, telles que l'architecture, les comportements de migration cellulaire et les décisions sur le sort des cellules souches. Ce sont des systèmes tridimensionnels façonnés qui existent sous forme de réseaux de cryptes (ou micropuits) recouverts d'une monocouche de cellules épithéliales intestinales. Le réseau de crypte a une surface basale pour une diffusion des nutriments et une lumière, comme l'intérieur de l'intestin.
Vous pouvez imaginer que les cellules à l'intérieur de l'intestin, face aux déchets ou aux aliments, sont très différentes des cellules qui sont à la base des cryptes intestinales. Dans ces systèmes, les cellules souches se trouvent à la crypte ou à la base du micropuits tandis que les cellules matures différenciées telles que les cellules absorbantes se trouvent face à la surface luminale, c'est à dire. côté déchets. Ces systèmes sont chimiquement et architecturalement des répliques beaucoup plus fidèles de l'intestin humain que les systèmes plus simples, mais cela signifie également qu'ils sont un peu plus difficiles à créer, à construire et à entretenir. Avec certains de ces systèmes tridimensionnels, nous créons des gradients chimiques à travers les tissus, c'est à dire. le long axe de la crypte intestinale, tout comme les facteurs de cellules souches et les métabolites alimentaires / bactériens existent dans un gradient à travers vos cryptes intestinales. Ce microdispositif permet un contrôle micro-environnemental très sophistiqué de ces tissus complexes.
Les tissus et organes vivants sont très dynamiques. Êtes-vous capable de reproduire la matrice extracellulaire et les signaux extracellulaires qui existeraient normalement dans un organe?
Nous pouvons en faire beaucoup, mais nous ne pouvons pas tout faire. Par exemple, avec les gradients chimiques, les cellules souches qui se trouvent à la base de ces micropuits sont exposées à des facteurs de croissance très élevés, mais à environ 400 microns de distance, donc à quelques diamètres de cheveux, les cellules ne voient pas beaucoup de ces facteurs. Ce gradient chimique imite de très près le microenvironnement de signalisation de l'intestin. Il existe également toutes sortes de métabolites et de produits bactériens qui sont à une concentration très élevée pour les cellules à la surface luminale, mais faibles là où les cellules souches se trouvent à la base des micropuits ou des cryptes. Nous pouvons également reproduire ces gradients de métabolites alimentaires et bactériens en utilisant des composés purifiés ou des bactéries réelles sur le côté luminal de l'intestin sur une puce.
Ce système 3D commence à reproduire les signaux physiologiques humains qui contrôlent le comportement des cellules, mais il y a certaines choses que nous ne pouvons pas encore faire. Nous n'avons pas de sang, par exemple, ni de vaisseaux sanguins entrant dans notre puce. C'est l'une des prochaines étapes, mais il reste beaucoup de travail à faire pour le construire, tout en disposant d'un système d'intestin sur puce robuste et fiable. Nos tissus deviennent de plus en plus complexes, mais nous n'avons encore que 1 à 2 tissus sur les appareils et un petit sous-ensemble des bactéries présentes dans l'intestin humain. On pourrait imaginer de plus en plus mettre de plus en plus de types de tissus. L'intestin a des cellules épithéliales, des fibroblastes, des cellules musculaires, des cellules neurales, des cellules immunitaires, toutes sortes d'autres types de cellules, et l'ajout de tous ces types de cellules créerait un organe physiologique plus normal. Je pense que ce sont tous des objectifs pour l'avenir sur lesquels nous allons avancer.
Comment les monocouches intestinales que vous avez développées dans votre laboratoire pourraient-elles être utilisées pour le développement de médicaments?
Nos technologies intestinales sur puce peuvent être utilisées pour comprendre le transport et le métabolisme des médicaments par l'homme (par opposition aux souris ou aux cellules tumorales cultivées en tissu). De plus, les microbes de l'intestin humain ou de l'épithélium intestinal humain peuvent convertir les médicaments sous leur forme active ou en un métabolite toxique. Le long de cette ligne, on pourrait commencer à faire des tests rapides sur la façon dont les médicaments sont modifiés, métabolisés et transportés à travers l'épithélium intestinal. Surtout, de nombreux médicaments provoquent un dysfonctionnement intestinal ou des effets secondaires et des tests peuvent être effectués pour déterminer l'impact des médicaments sur les cellules intestinales elles-mêmes et l'impact sur la fonction de barrière intestinale, par exemple. fuite.
À titre d'exemple, il est désormais également clair qu'en chimiothérapie anticancéreuse, l'intestin et les bactéries dans l'intestin jouent un rôle énorme dans le fonctionnement de la chimiothérapie. Comment cela fonctionne n'est pas bien compris, donc je pense qu'il va y avoir une grande pression pour utiliser ces systèmes pour comprendre comment nous pouvons fabriquer des médicaments anticancéreux qui sont plus efficaces et moins toxiques sur l'intestin et d'autres systèmes biologiques. Nous commençons seulement à rayer la surface.
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Pensez-vous que les systèmes microphysiologiques pourraient un jour remplacer les modèles animaux? Quels défis devrons-nous surmonter avant que cela ne soit possible?
Je ne pense pas que les systèmes microphysiologiques puissent remplacer totalement les modèles animaux. Aux États-Unis, c'est la loi de tester les médicaments sur les animaux. Nous sommes également loin d'avoir un humain sur puce complet avec tous les différents systèmes d'organes en place et interconnectés, alors qu'une souris ou un autre système animal est déjà là. Je pense qu'il est plus probable que les puces réduisent le nombre d'animaux utilisés afin que vous puissiez obtenir des informations de plus grande valeur, complétant ainsi plutôt que remplaçant les modèles animaux. Les puces permettront également de comprendre comment les humains pourraient finalement réagir différemment des systèmes de modèles animaux.
Les travaux en cours dans le domaine des organes sur puce visent à démontrer que ces dispositifs imitent et reproduisent en fait les réponses humaines (et il a déjà été démontré que beaucoup imitent la physiologie humaine lorsque les modèles animaux échouent). Dans l’ensemble, l’avenir des technologies d’orgue à puce semble assez prometteur et sa croissance et son impact seront sans aucun doute croissants.
Dans quelle mesure sommes-nous loin de construire un système microphysiologique qui pourrait être utilisé pour étudier des maladies complexes, telles que les troubles cardiovasculaires?
Il existe déjà des dispositifs qui démontrent de nombreux phénotypes de maladies complexes. Par exemple, les vaisseaux sanguins sur puce ont reproduit des maladies des vaisseaux sanguins telles que l'athérosclérose et les métastases tumorales. Il existe des dispositifs cardiaques sur puce étonnants avec des sous-unités de tissu cardiaque fonctionnelles qui récapitulent avec précision l'impact des médicaments cardiovasculaires, donc je pense que nous faisons de bons progrès. Je pense que nous verrons un nombre croissant de modèles de maladie impressionnants et hautement prédictifs au fil du temps.
Enfin, que vous réserve l'avenir et vos recherches?
À court terme, notre grand objectif est de vraiment fabriquer un intestin sur puce qui reproduit entièrement l'intestin grêle et le gros intestin humain. Nous travaillons dur pour mettre un microbiome humain ou des bactéries intestinales normales sur notre intestin sur puce. En plus des gradients chimiques, des gradients de gaz tels que l'oxygène existent à travers les cryptes intestinales que nous travaillons dur à reproduire. Nous voulons vraiment ajouter plus de types de tissus, tels que le système immunitaire, les fibroblastes et les tissus nerveux. Nous avons beaucoup de travail à faire pour créer une réplique pleinement fonctionnelle, nous commençons également à nous associer à d'autres personnes, en particulier les personnes qui ont le foie sur une puce afin que notre intestin sur une puce puisse absorber puis l'envoyer à leur foie sur puce pour créer un modèle hépato-intestinal pleinement fonctionnel pour récapituler la digestion, le métabolisme et la détoxication des aliments.
Une grande partie de notre travail consiste à rendre les systèmes robustes et fiables ainsi que faciles à utiliser pour les biologistes et les chercheurs cliniques. Cela peut sembler trivial, mais ce n'est pas le cas. Beaucoup de grands appareils restent isolés dans le laboratoire des inventeurs en raison de leur haut degré de complexité. Lorsque les biologistes essaient d'utiliser ces appareils complexes, il y a tout simplement trop de points de défaillance. Même rendre l'un de ces systèmes livrable sera un défi, car comment le donner à FedEx tout en étant en bon état à travers le monde? Il y a beaucoup de défis avec l'évolutivité, la fabrication, la robustesse et la fiabilité que mon laboratoire, en particulier, est intéressé à relever pour s'assurer que ces organes sur puces sortent dans le monde réel et réalisent leur potentiel.
Où nos lecteurs peuvent-ils aller pour en savoir plus?
Pour en savoir plus, visitez http://allbritton.web.unc.edu/
À propos de Nancy Allbritton
Le Dr Allbritton est professeur au Département de bio-ingénierie et doyen d'ingénierie Frank & Julie Jungers à l'Université de Washington à Seattle. Elle a été la fondatrice scientifique de quatre entreprises et aime les voyages internationaux.
