Un petit appareil construit par des scientifiques du MIT et de l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie pourrait être utilisé pour améliorer la sécurité et l’efficacité des traitements de thérapie cellulaire pour les patients souffrant de lésions de la moelle épinière.
En thérapie cellulaire, les cliniciens créent ce que l’on appelle des cellules souches pluripotentes induites en reprogrammant certaines cellules cutanées ou sanguines prélevées sur un patient. Pour traiter une lésion de la moelle épinière, ils inciteraient ces cellules souches pluripotentes à devenir des cellules progénitrices, destinées à se différencier en cellules de la moelle épinière. Ces progéniteurs sont ensuite réimplantés chez le patient.
Ces nouvelles cellules peuvent régénérer une partie de la moelle épinière blessée. Cependant, les cellules souches pluripotentes qui ne se transforment pas complètement en progéniteurs peuvent former des tumeurs.
Cette équipe de recherche a développé un trieur de cellules microfluidiques capable d’éliminer environ la moitié des cellules indifférenciées – ; ceux qui peuvent potentiellement devenir des tumeurs – ; dans un lot, sans causer de dommages aux cellules progénitrices entièrement formées.
Ce dispositif à haut débit, qui ne nécessite aucun produit chimique spécial, peut trier plus de 3 millions de cellules par minute. En outre, les chercheurs ont montré que le fait d’enchaîner de nombreux appareils peut trier plus de 500 millions de cellules par minute, ce qui en fait une méthode plus viable pour améliorer un jour la sécurité des traitements de thérapie cellulaire.
De plus, la puce en plastique qui contient le trieur de cellules microfluidiques peut être produite en série en usine à très faible coût, ce qui rend le dispositif plus facile à mettre en œuvre à grande échelle.
« Même si vous disposez d’une thérapie cellulaire qui sauve des vies et fait des merveilles pour les patients, si vous ne pouvez pas la fabriquer de manière rentable, fiable et sûre, son impact pourrait alors être limité. Notre équipe est passionnée par ce problème – ; nous voulons pour rendre ces thérapies plus fiables et plus facilement accessibles », déclare Jongyoon Han, professeur de génie électrique, d’informatique et de génie biologique au MIT, membre du laboratoire de recherche en électronique (RLE) et co-directeur principal du CAMP. (Critical Analytics for Manufacturing Personalized Medicine) de l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART).
Han est rejoint sur l’article par le co-auteur principal Sing Yian Chew, professeur de chimie, de génie chimique et de biotechnologie à la Lee Kong Chian School of Medicine et de Science et ingénierie des matériaux de l’Université technologique de Nanyang à Singapour et chercheur principal du CAMP ; co-auteurs principaux Tan Dai Nguyen, chercheur au CAMP ; Wai Hon Chooi, chercheur principal à l’Agence de Singapour pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) ; et Hyungkook Jeon, postdoctorant au MIT ; ainsi que d’autres à NTU et A*STAR. La recherche paraît aujourd’hui dans Médecine translationnelle des cellules souches.
Réduire les risques
Le risque de cancer posé par les cellules souches pluripotentes induites indifférenciées reste l’un des défis les plus urgents de ce type de thérapie cellulaire.
Même si vous disposez d’une très petite population de cellules qui ne sont pas complètement différenciées, elles pourraient quand même se transformer en cellules cancéreuses. »
Jongyoon Han, professeur au MIT de génie électrique, d’informatique et de génie biologique
Les cliniciens et les chercheurs cherchent souvent à identifier et à éliminer ces cellules en recherchant certains marqueurs à leur surface, mais jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas réussi à trouver un marqueur spécifique à ces cellules indifférenciées. D’autres méthodes utilisent des produits chimiques pour détruire sélectivement ces cellules, mais les techniques de traitement chimique peuvent être nocives pour les cellules différenciées.
Le trieur microfluidique à haut débit, capable de trier les cellules en fonction de leur taille, avait déjà été développé par l’équipe CAMP après plus d’une décennie de travail. Il a déjà été utilisé pour trier les cellules immunitaires et les cellules stromales mésenchymateuses (un autre type de cellules souches), et maintenant l’équipe étend son utilisation à d’autres types de cellules souches, telles que les cellules souches pluripotentes induites, explique Han.
« Nous nous intéressons aux stratégies régénératives visant à améliorer la réparation des tissus après des lésions de la moelle épinière, car ces conditions entraînent des déficiences fonctionnelles dévastatrices. Malheureusement, il n’existe actuellement aucune approche thérapeutique régénérative efficace pour les lésions de la moelle épinière », explique Chew. « Les cellules progénitrices de la moelle épinière dérivées de cellules souches pluripotentes sont très prometteuses, car elles peuvent générer tous les types de cellules présentes dans la moelle épinière pour restaurer la structure et la fonction des tissus. Pour pouvoir utiliser efficacement ces cellules, la première étape serait de garantir leur la sécurité, qui est le but de notre travail. »
L’équipe a découvert que les cellules souches pluripotentes ont tendance à être plus grandes que les progéniteurs qui en dérivent. On suppose qu’avant qu’une cellule souche pluripotente ne se différencie, son noyau contient un grand nombre de gènes qui n’ont pas été désactivés ou supprimés. À mesure qu’elle se différencie pour une fonction spécifique, la cellule supprime de nombreux gènes dont elle n’a plus besoin, réduisant ainsi considérablement le noyau.
Le dispositif microfluidique exploite cette différence de taille pour trier les cellules.
Tri en spirale
Les canaux microfluidiques de la puce en plastique de taille quart forment une entrée, une spirale et quatre sorties qui génèrent des cellules de différentes tailles. Lorsque les cellules sont poussées à travers la spirale à des vitesses très élevées, diverses forces, notamment les forces centrifuges, agissent sur les cellules. Ces forces s’opposent pour concentrer les cellules à un certain endroit du flux de fluide. Ce point de focalisation dépendra de la taille des cellules, les triant efficacement via des sorties séparées.
Les chercheurs ont découvert qu’ils pourraient améliorer le fonctionnement du trieur en le faisant fonctionner deux fois, d’abord à une vitesse inférieure afin que les cellules plus grosses collent aux parois et que les cellules plus petites soient triées, puis à une vitesse plus élevée pour trier les cellules plus grosses.
Dans un sens, l’appareil fonctionne comme une centrifugeuse, mais le trieur microfluidique ne nécessite pas d’intervention humaine pour sélectionner les cellules triées, ajoute Han.
Les chercheurs ont montré que leur appareil pouvait éliminer environ 50 pour cent des cellules les plus grosses en un seul passage. Ils ont mené des expériences pour confirmer que les cellules plus grosses retirées étaient en fait associées à un risque de tumeur plus élevé.
« Bien que nous ne puissions pas éliminer 100 pour cent de ces cellules, nous pensons toujours que cela réduira considérablement le risque. Espérons que le type cellulaire d’origine soit suffisamment bon pour que nous n’ayons pas trop de cellules indifférenciées. Ce processus pourrait alors permettre ces cellules encore plus sûres », dit-il.
Il est important de noter que le trieur microfluidique à faible coût, qui peut être produit à grande échelle avec des techniques de fabrication standard, n’utilise aucun type de filtration. Les filtres peuvent se boucher ou tomber en panne, de sorte qu’un appareil sans filtre peut être utilisé beaucoup plus longtemps.
Maintenant qu’ils ont démontré leur succès à petite échelle, les chercheurs se lancent dans des études plus vastes et sur des modèles animaux pour voir si les cellules purifiées fonctionnent mieux in vivo.
Les cellules non différenciées peuvent devenir des tumeurs, mais elles peuvent avoir d’autres effets aléatoires dans le corps. Par conséquent, l’élimination d’un plus grand nombre de ces cellules pourrait renforcer l’efficacité des thérapies cellulaires et améliorer leur sécurité.
« Si nous pouvons démontrer de manière convaincante ces avantages in vivo, l’avenir pourrait réserver des applications encore plus intéressantes pour cette technique », déclare Han.
Cette recherche est soutenue en partie par la National Research Foundation de Singapour et l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie.
