Le coût élevé du développement de médicaments et les limites de l’étude des processus physiologiques en laboratoire sont deux problèmes scientifiques distincts qui peuvent partager la même solution.
Les systèmes microphysiques (MPS) sont des plates-formes in vitro composées de cellules dans un microenvironnement qui imite étroitement celui trouvé dans le corps, permettant aux scientifiques de recréer les conditions des tissus trouvés dans le corps à la fois pour élucider davantage les conditions et les systèmes biologiques et pour des applications telles que que de tester des médicaments dans un modèle plus précis que ne le permettent les tests sur les animaux. Cependant, les progrès que les MPS pourraient apporter ont été limités jusqu’à présent par une incapacité à enregistrer avec précision ce qui se passe au niveau cellulaire. Maintenant, une équipe de scientifiques a développé une plate-forme de détection électrochimique qui pourrait résoudre ce problème.
Les résultats ont été publiés dans Biocapteurs et bioélectronique le 29 octobre 2022.
« Des techniques récentes de bio-ingénierie ont permis la construction d’un modèle tissulaire intégré à un réseau vasculaire perfusable », a déclaré l’auteur correspondant Yuji Nashimoto, officiellement du Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences de l’Université de Tohoku, maintenant à l’Université médicale et dentaire de Tokyo. « Cependant, pour utiliser les modèles comme outils de dépistage de médicaments, nous avons besoin de biocapteurs pour surveiller leurs fonctions en temps réel, ce qui manquait jusqu’à présent. Cette étude a développé une nouvelle plate-forme de détection électrochimique pour surveiller le modèle de tissu vascularisé. »
L’équipe a identifié les capteurs électrochimiques comme idéaux pour les lectures de fonctionnalité cellulaire en raison de leur faible invasivité, de leur détection en temps réel et de leur grande sensibilité pour les plateformes de culture in vitro. L’intégration de capteurs électrochimiques dans les MPS a cependant été difficile en raison de leur incompatibilité avec les dispositifs microfluidiques, selon les chercheurs.
Les chercheurs ont pu intégrer leur plate-forme de détection pour les cellules cultivées en 3D avec un réseau vasculaire perfusable – un système vasculaire artificiel qui comprend le passage de fluides à travers celui-ci – pour mesurer le métabolisme de l’oxygène dans les tissus 3D avec un flux vasculaire qui imite celui du corps humain dans temps réel.
Cette intégration réussie a été réalisée en partie en concevant le système pour avoir un dessus ouvert et une couche inférieure avec cinq canaux pour cultiver le réseau vasculaire et une couche supérieure qui a été employée pour cultiver les cellules cultivées 3D et pour l’analyse de métabolisme de l’oxygène. Les deux couches étaient séparées par une fine membrane.
Les chercheurs ont testé la plateforme avec des sphéroïdes de fibroblastes pulmonaires humains. Ils l’ont ensuite appliqué à un organoïde cancéreux et ont évalué les changements du métabolisme de l’oxygène lors de l’administration du médicament à travers le réseau vasculaire. Les résultats ont montré que leurs capteurs ont été intégrés avec succès dans le système pour fournir les mesures précises souhaitées.
Nous avons constaté que la plate-forme pouvait intégrer un réseau vasculaire perfusable avec des cellules cultivées en 3D, et que le capteur électrochimique pouvait détecter le changement du métabolisme de l’oxygène de manière quantitative, non invasive et en temps réel. Les biocapteurs sont des outils très importants pour réaliser un dépistage plus physiologique des médicaments. Notre groupe de recherche a développé divers capteurs à cet effet. Nous continuons à développer les molécules détectables et à développer des capteurs plus robustes et à haut débit. »
Hitoshi Shiku, auteur correspondant, École supérieure d’ingénierie et de l’École supérieure d’études environnementales, Université du Tohoku
Selon les chercheurs, les futures études devraient inclure des moyens d’aborder les changements du sphéroïde et de l’organoïde pendant la culture du dispositif ainsi que le développement d’un réseau vasculaire perfusable dans un environnement encore plus contrôlé qu’actuellement possible. Alors que les chercheurs ont identifié les prochaines étapes des études futures, les résultats de cette étude sont prometteurs pour la surveillance des réseaux vasculaires perfusables à des fins de dépistage de drogue d’une manière qui n’avait pas été atteinte auparavant.
« Cette étude a développé une analyse du métabolisme de l’oxygène pour le modèle de tissu vascularisé », a déclaré Shiku. « À l’avenir, les molécules détectables devraient être élargies et le rapport signal sur bruit devrait être amélioré. »
