Dans un article de synthèse récemment publié dans la revue La découverte de médicaments aujourd’hui, les scientifiques ont décrit l’utilité des systèmes microphysiologiques humains (MPS) pour comprendre la physiopathologie de l’infection par le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) et développer des interventions thérapeutiques efficaces. De plus, ils ont décrit la création d’un groupe de travail mondial pour synchroniser les développements récents autour des MPS et de la recherche sur la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19).
Sommaire
Contexte
Peu de temps après son émergence en décembre 2019 en Chine, le SRAS-CoV-2 mortel de la famille des bêtacoronavirus humains a connu une trajectoire de transmission rapide et est rapidement devenu une urgence de santé publique de portée internationale. Compte tenu de la forte augmentation des cas de COVID-19 et de la mortalité dans le monde, l’Organisation mondiale de la santé (OMS) a déclaré la maladie une pandémie le 11 mars 2020. Au 3 août 2021, dans le monde, 198 millions de COVID-19 ont été confirmés. cas, dont 4,2 millions de décès, enregistrés à l’OMS.
Pour développer des traitements, des prophylactiques et des diagnostics efficaces, il est important de bien comprendre le cycle de vie et la dynamique de transmission du SRAS-CoV-2. Une approche collaborative au niveau mondial a permis d’identifier rapidement les caractéristiques virales vitales, notamment le récepteur d’entrée de la cellule hôte (enzyme de conversion de l’angiotensine 2 ; ACE2), la glycoprotéine de pointe sur l’enveloppe virale et la dynamique de la réplication du SRAS-CoV-2.
Bien que divers modèles animaux, notamment des souris, des hamsters, des furets et des primates non humains, contribuent de manière significative à la compréhension de la physiopathologie de l’infection par le SRAS-CoV-2, ils ont souvent des limites. L’une de ces limitations est les différences majeures dans la physiopathologie de la maladie et les résultats entre les animaux et les humains.
Les progrès récents dans le domaine de la bio-ingénierie ont permis de développer des MPS à base humaine qui peuvent considérablement surmonter les lacunes des modèles animaux. Les MPS sont dans vitro plates-formes de réseaux cellulaires complexes dans un microenvironnement qui récapitule les réponses biochimiques, électriques et mécaniques pour afficher les fonctions au niveau des organes. Certains exemples courants de MPS sont les modèles d’organes sur puce, d’organoïdes et de bioréacteurs, dans lesquels divers types de cellules humaines interagissent les uns avec les autres pour former des structures complexes sous l’influence de forces physiques, telles que l’écoulement de fluide. Ces structures reproduisent diverses activités biologiques, notamment la fonction barrière, le transport membranaire, le système métabolique et le réseau neuronal.
Organoïdes
Les organoïdes sont des constructions tissulaires tridimensionnelles généralement composées de cellules souches adultes ou pluripotentes qui imitent les caractéristiques d’un organe. Le développement des organoïdes dépend principalement de l’auto-organisation intrinsèque de plusieurs cellules pour former des structures organotypiques.
Bien que les organoïdes aient une grande utilité dans la recherche biomédicale en raison de leur simplicité, ces in vitro plates-formes ont un inconvénient de configuration aléatoire, ce qui conduit à une variation structurelle et fonctionnelle entre les lots de fabrication, entre plusieurs organoïdes au sein d’une culture, et même entre différentes régions d’un même organoïde. De plus, l’absence de système vasculaire, de microenvironnement représentatif et de cellules immunitaires limite davantage l’utilité des organoïdes dans certains domaines biomédicaux.
Malgré ces inconvénients, les organoïdes sont largement utilisés pour étudier les processus biologiques de base et pour déterminer les profils d’innocuité et d’efficacité des médicaments en raison de leur capacité à imiter les aspects fonctionnels des organes natifs.
Orgue sur puce
Les organes sur puces sont des outils de culture cellulaire microfabriqués qui imitent les unités fonctionnelles des organes. Dans les puces d’organes, des canaux microfluidiques creux sont tapissés de cellules spécifiques d’organes sur une surface et de cellules endothéliales vasculaires sur l’autre surface. Le microenvironnement physique de l’organe concerné est récapitulé en contrôlant le débit de fluide et les forces mécaniques à l’intérieur des canaux microfluidiques.
Le principal avantage des modèles d’organes sur puce est la faible variabilité entre les puces. Son procédé de fabrication permet un contrôle précis des réseaux cellulaires et tissulaires. De plus, des capteurs de fonction tissulaire peuvent être intégrés dans des puces pour mesurer en temps réel divers aspects biologiques.
Systèmes microphysiologiques dans la recherche COVID-19
Divers nouveaux MPS ont été développés et utilisés pour étudier l’impact de l’infection par le SRAS-CoV-2 sur les poumons et d’autres organes affectés, tels que le cerveau, les reins et les intestins. Des organoïdes pulmonaires composés de cellules épithéliales alvéolaires humaines primaires ont été utilisés pour étudier le processus d’entrée virale, la réplication virale, la réponse à l’interféron et le microenvironnement pro-inflammatoire. De même, des modèles de poumon sur puce avec des systèmes vasculaires actifs ont été développés pour induire une infection par le SRAS-CoV-2 à l’interface air-liquide. L’interaction entre le cycle de vie viral et les réponses immunitaires de l’hôte peut également être étudiée dans ces modèles en incorporant des cellules immunitaires dans le réseau vasculaire.
En outre, des organoïdes du cerveau, des reins, des vaisseaux sanguins et de l’intestin ont été développés pour étudier les conséquences pathologiques de l’infection par le SRAS-CoV-2 dans les organes respectifs, ainsi que pour examiner l’efficacité de l’ACE2 recombinante humaine soluble dans l’inhibition de l’infection des vaisseaux sanguins et des reins. .
Pour rassembler tous les efforts liés au développement et à l’application des MPS, le groupe de travail de recherche MPS COVID-19 a été créé sous la direction du UK National Center for the Replacement, Refinement and Reduction of Animals in Research et du US National Toxicology Program. Centre interinstitutions pour l’évaluation des méthodes toxicologiques alternatives. L’objectif principal du groupe est de connecter les chercheurs, les développeurs de méthodes, les fabricants de médicaments et de vaccins et les organismes de réglementation du monde entier afin de maximiser les avantages scientifiques des MPS et de réduire l’utilisation d’animaux.
