Une équipe de chercheurs dirigée par Weiqiang Chen de la NYU Tandon School of Engineering a développé un dispositif miniature qui pourrait transformer la façon dont les traitements du cancer du sang sont testés et adaptés aux patients.
Le microscope de l'équipe de la « leucémie-sur-chip » de la taille d'un diaporama de l'équipe est le premier dispositif de laboratoire à combiner avec succès la structure physique de la moelle osseuse et un système immunitaire humain fonctionnel, une avance qui pourrait accélérer considérablement un nouveau développement d'immunothérapie.
Cette innovation arrive à un moment particulièrement opportun, car la FDA a récemment annoncé un plan pour éliminer les exigences d'essais animaux pour les anticorps monoclonaux et autres médicaments, publiant une feuille de route complète pour réduire les tests animaux dans les études de sécurité préclinique.
Comme décrit dans un article publié dans Génie biomédical de la naturela nouvelle technologie permet aux scientifiques d'observer en temps réel comment les médicaments d'immunothérapie interagissent avec les cellules cancéreuses dans un environnement qui imite étroitement le corps humain, représentant exactement le type de méthode de test alternative que la FDA est maintenant encourageante.
Nous pouvons maintenant regarder les traitements contre le cancer se dérouler comme chez un patient, mais dans des conditions complètement contrôlées sans expérimentation animale. «
Weiqiang Chen, professeur de génie mécanique et aérospatial, NYU Tandon School of Engineering
Le traitement des cellules T des récepteurs de l'antigène chimérique, ou thérapie par cellules T CAR, est devenue une approche d'immunothérapie prometteuse pour traiter certains cancers du sang. Cela implique de retirer les cellules immunitaires d'un patient, de les gérer génétiquement pour cibler le cancer et de les rendre au corps du patient. Malgré son potentiel, près de la moitié des patients rechutent et beaucoup éprouvent des effets secondaires graves, y compris le syndrome de libération des cytokines.
Les scientifiques ont eu du mal à améliorer ces traitements, en partie parce que les méthodes de test conventionnelles échouent. Les modèles animaux sont longs et difficiles à surveiller (et n'imitent pas avec précision les réponses complexes du système immunitaire humain à ces thérapies), tandis que les tests de laboratoire standard ne représentent pas l'environnement complexe où le cancer et les cellules immunitaires interagissent.
Le nouvel appareil recrée trois régions de moelle osseuse où se développe la leucémie: les vaisseaux sanguins, la cavité de la moelle environnante et la doublure osseuse extérieure. Lorsqu'elle est remplie de cellules de moelle osseuse du patient, le système commence à s'auto-organisation, avec des cellules produisant leurs propres protéines structurelles comme le collagène, la fibronectine et la laminine, créant non seulement la structure physique mais, surtout, conservant l'environnement immunitaire complexe du tissu.
En utilisant des techniques d'imagerie avancées, les chercheurs ont regardé les cellules immunitaires individuelles lorsqu'ils se déplaçaient à travers des vaisseaux sanguins, ont reconnu les cellules cancéreuses et les ont éliminées, un processus auparavant impossible à assister avec une telle clarté dans un système vivant. L'équipe pourrait suivre précisément la vitesse à laquelle les cellules T de voiture ont voyagé tout en traquant les cellules cancéreuses, révélant que ces cellules immunitaires techniques se déplacent dans le but lors de la recherche de leurs cibles, ralentissant lorsqu'ils détectent les cellules cancéreuses à proximité pour les engager et les détruire.
« Nous avons observé des cellules immunitaires patrouillant leur environnement, prenant contact avec les cellules cancéreuses et les tuant une par une », a déclaré Chen.
Les chercheurs ont également découvert que les cellules immunitaires modifiées activent d'autres cellules immunitaires non directement ciblées par la thérapie, un « effet de spectateur » qui peut contribuer à la fois à l'efficacité du traitement et aux effets secondaires.
En manipulant le système, l'équipe a recréé des scénarios cliniques communs observés chez les patients: rémission complète, résistance au traitement et réponse initiale suivie d'une rechute. Leurs tests ont révélé que les cellules T de voiture de «génération Fouth» plus récentes avec des caractéristiques de conception améliorées fonctionnaient mieux que les versions standard, en particulier à des doses plus faibles.
Alors que les modèles animaux nécessitent des mois de préparation, la puce de leucémie peut être assemblée en une demi-journée et prend en charge des expériences de deux semaines.
« Cette technologie pourrait éventuellement permettre aux médecins de tester les cellules cancéreuses d'un patient contre différentes conceptions de thérapie avant le début du traitement », a expliqué Chen. « Au lieu d'une approche unique, nous pourrions identifier quel traitement spécifique fonctionnerait le mieux pour chaque patient. »
Les chercheurs ont développé un « indice analytique et intégratif basé sur la matrice » pour évaluer les performances de différents produits de cellules T CAR, analysant plusieurs aspects de la réponse immunitaire dans différents scénarios. Cette analyse complète pourrait fournir une prédiction plus précise des thérapies réussiront chez les patients.
Avec Chen, les auteurs du journal sont Chao Ma, Huishu Wang, Lunan Liu et Jie Tong de Nyu Tandon; Matthew T. Witkowski du campus médical de l'Université du Colorado Anschutz; Iannis Aifantis de la Nyu Grossman School of Medicine; et Saba Ghassemi de l'Université de Pennsylvanie.
Le travail a été soutenu par la National Science Foundation, les National Institutes of Health, le Cancer Research Institute, la Leukemia & Lymphoma Society, le National Cancer Institute, la Lemonade Stand Cancer Research Foundation, la St. Baldrick's Foundation et d'autres organisations.
