Les méthodes substitutives

Conçus à partir de cellules souvent cultivées en 3D, et permis par la convergence de l’ingénierie tissulaire et du développement et de la fabrication des semi-conducteurs, les organes sur puce font appel à plusieurs autres technologies telles que la microfluidique et les nano-capteurs.

Permettant un mimétisme concret et appliqué du corps humain, par l’association de plusieurs organes-sur-puce, ces modèles dits microphysiologiques offrent des perspectives prometteuses dans un nombre grandissant de domaines, que ce soit pour les études en toxicologie, la modélisation de maladie et le développement de traitements pour une « médecine personnalisée ».

TED TALK Boston de l’Institut Wyss (USA) - Body parts on a chip – Geraldine Hamilton, bio-chercheur

Animation - Les Organes sur puce, comment sont-ils fabriqués ? - Ärzte gegen Tierversuche (sous-titrée en français)

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La création d’organe en laboratoire a été et est un des grands challenges de la science moderne. Une avancée notamment rendue possible grâce aux cellules souches.

En biologie cellulaire, une cellule souche est une cellule qui est dite indifférenciée en ce qu’elle est capable, à la fois, de générer des cellules spécialisées par différenciation cellulaire et de s’autorenouveler et se maintenir dans l'organisme en cas de besoin. Les cellules souches sont en quelque sorte les « cellules mères » de toutes les autres cellules.

Les cellules souches chez l’adulte sont issues le plus souvent de déchets chirurgicaux humains destinés à l'incinération. Il s’agit, par exemple, de cellules que l'on trouve dans la peau et dans les tissus adipeux, comme les déchets chirurgicaux suite aux interventions esthétiques pour se débarrasser de tissus adipeux sur l'abdomen ou une réduction des seins. Leur utilisation ne pose pas de problème éthique à condition dans cette hypothèse que le consentement éclairé du patient soit obtenu.

Grâce aux avancées technologiques, il est possible de programmer ces cellules souches adultes, elles sont dites pluripotentes, c’est-à-dire qu’elles peuvent donner naissance à quasiment tous les différents types de cellules de l’organisme.

« La prouesse scientifique récompensée par le prix Nobel de médecine 2012 (décerné au chercheur Shinya Yamanaka) consiste à prélever pratiquement n’importe quelle cellule chez un adulte et à la reprogrammer génétiquement pour la rendre pluripotente, c’est-à-dire capable de se multiplier à l’infini et de se différencier dans tous les types de cellules qui composent un organisme adulte, comme une cellule souche embryonnaire. Ces cellules sont appelées iPSC pour cellules souches pluripotentes induites (induced pluripotent stem cells) » (site web INSERM)

L'iPSC a ainsi la capacité de produire n'importe quelle autre cellule spécialisée, ce qui permet notamment de recréer n'importe quel mini-organe. L'organoïde ainsi formé est contrôlé par l'ajout de substances dans le milieu nutritif.

L’impression 3D est une technique qui permet de produire un objet réel à partir d’un fichier informatique et de la matière. Cette matière empilée en couches successives crée du volume. En combinant la biologie cellulaire et le génie physique, la conception artificielle et l’impression tridimensionnelle d’une gamme de modèles de tissus humains deviennent possibles. Le tissu humain devient la matière à « imprimer ». Cette technologie propose des tissus à l’architecture adéquate et entièrement composée de cellules humaines et de bio-encre. Les structures obtenues, tissus vivants et organes, représentent une opportunité de progresser pour l'ingénierie tissulaire, la médecine régénérative, la pharmacocinétique et plus généralement la recherche en biologie. Des modèles de peau, de foie, d’os et de tissus cardiaques ont déjà été mis au point.

Avec la phase de maturation des tissus imprimés, on peut parler d’impression 4D. C’est la phase durant laquelle les cellules assemblées vont évoluer et interagir ensemble de manière à former un tissu cohérent et viable. Durant le processus de post-impression au sein d'un bioréacteur, les tissus connaissent une maturation rapide notamment par le développement de la vascularisation et de l'innervation à plusieurs niveaux augmentant la résistance et l'intégrité mécanique des tissus en vue d'une transplantation. Placés dans un incubateur, les tissus se développent jusqu’à former un tissu cohérent. Cette phase commence environ 48 h après l’impression et peut durer plusieurs semaines selon la taille du tissu.

C’est par exemple le cas du projet 4D BioDISC de la société Bioregate qui s’intéresse à la bio-impression 4D d’un modèle de disque intervertébral (DIV) à gradients de matériaux en vue d’étudier la dégénérescence discale. La dégénérescence du DIV est une des causes principales de lombalgie, une affection douloureuse, invalidante et dont l’impact socioéconomique est considérable. Les traitements conventionnels ne sont que symptomatiques et de nouvelles thérapies bio-inspirées sont nécessaires afin de contrecarrer la dégénérescence discale.

La bio-simulation est la modélisation dynamique par ordinateur de systèmes biologiques et de la physiologie humaine. Combinant la chimie théorique et computationnelle, la physique et la biologie, la bio-simulation englobe toute application des techniques mathématiques et informatiques aux problèmes et aux systèmes d'intérêts chimiques, biologiques et connexes.

Contrairement aux cartes d’interactions moléculaires qui, par leur nature statique, ne donnent qu’un aperçu limité du comportement du système biologique notamment quand les conditions changent (évolution de la maladie, effet de substances chimiques…), la modélisation informatique permet une approche plus fine et prospective par l’intégration, par le biais de simulations, de perturbations in silico et d’analyses, de propriétés dynamiques.

S'appuyant sur une très grande quantité de données, avec le potentiel de réduire le temps et les coûts de développement des médicaments, la bio-simulation par ordinateur est également utilisée et encouragée dans le domaine de la pharmacologie. L’union européenne assure le financement de réseaux d’excellence (BioSim) dans le but de structurer les efforts de développement de modèles de simulation pour la conception, la sélection et les essais de médicaments.

Malgré les nombreuses constructions de modèles numériques du cerveau humain permettant de mieux comprendre les mécanismes fonctionnels et organisationnels de cet organe et d’entrapercevoir la complexité des interconnexions neuronales, la modélisation du cerveau entier reste un défi tant sur le plan technique que sur le plan de l’analyse et de la mobilisation des capacités de traitement de supercalculateurs. Or, la modélisation de régions cérébrales telle qu’elle est déjà développée est pertinente permettant une description interprétable des mécanismes neuronaux pouvant être couplée et enrichie de données issues des systèmes d’imagerie cérébrale.

Ainsi, « la personnalisation des simulations est l’un des aspects les plus excitants de ce type de recherche. Il est en effet possible de façonner les modélisations cérébrales en utilisant des données structurelles acquises empiriquement, après avoir analysé par IRM le cerveau d’un individu donné par exemple. Autrement dit, la forme du cerveau et la connectivité des neurones d’une personne peuvent être utilisées pour façonner un réseau cérébral qui lui sera propre » (The Conversation, Médecine personnalisée : modéliser le cerveau pour mieux soigner, mars 2021)

Le développement de simulateurs de mécanismes neurologiques est ainsi tout-à-fait intéressant dans les cas tels que l’épilepsie ou pour mieux appréhender les déficits cognitifs observés dans la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie.

Dans le cas de l’épilepsie, 600 000 personnes en France souffrent de ce trouble neurologique qui comprend une cinquantaine de maladies épileptiques (ou syndromes épileptiques) et qui affecte principalement les enfants et les personnes âgées (chiffres INSERM, 2018). Environ 30% des malades ne répondent pas aux traitements actuels et le taux de réussite de la chirurgie cérébrale de l’épilepsie ne s’améliore pas, figé aux alentours de 50%. Les modèles animaux n’apportent pas de réponses satisfaisantes.

En 2013, un premier simulateur informatique des mécanismes biologiques de l’épilepsie a été validé en laboratoire par Rhenovia Pharma. Modélisant les mécanismes biologiques fondamentaux qui génèrent le signal de transmission entre les cellules du cerveau, le dispositif a permis de simuler les dysfonctionnements conduisant à une crise d’épilepsie. Cet outil de R&D ouvre de nouvelles perspectives aux traitements antiépileptiques et pour identifier les risques pro-convulsifs des futurs médicaments. En 2018, le projet Epinov est lancé. Labellisé RHU (recherche hospitalo-universitaire), le projet est axé sur l’utilisation de la modélisation à large échelle des réseaux épileptogènes de patients épileptiques. Cette approche innovante a pour objectif de mieux guider les stratégies chirurgicales. En effet, il s’agit de fournir aux médecins un outil capable de modéliser le cerveau du patient en 3D ainsi que la zone épileptogène superposée au-dessus ; ceci, afin d'identifier facilement la zone cérébrale en question, d'assurer la réussite de l'opération et d'optimiser les traitements personnalisés.

L'imagerie médicale est un élément essentiel pour la recherche clinique, l’étude des maladies et la mise au point de nouveaux traitements. De nombreuses techniques d’imagerie se sont développées. Parmi les différents systèmes, la magnétoencéphalographie (MEG) et l’électroencéphalogramme (EEG), par exemple, sont des technologies non invasives qui mesurent l’activité du cerveau humain par la captation de son champ magnétique.

L’imagerie médicale multimodale est la fusion d’images multimodes permettant la mise en correspondance de plusieurs données hétérogènes, la visualisation des résultats, leur interprétation en augmentant la qualité et la pertinence de la complémentarité des données fusionnées. L’analyse d’images multimodales est développée notamment pour la personnalisation de plan de traitement. L’imagerie médicale multimodale est devenue un outil très puissant dans le diagnostic et la prise en charge de maladies humaines.

Dans le cas de l’étude de maladies et troubles mentaux par exemple ou encore de certains cancers, les systèmes d’imagerie et la fusion d’images multimodes sont tout-à-fait appropriés et plus pertinents que les procédures invasives sur animaux dont l’utilité des expériences reste limitée du fait de l’impossibilité de créer chez l’animal l’ensemble complexe des symptômes et des réponses observés chez l’homme.

La toxicogénomique est l'application de technologies génomiques en vue d'étudier l'impact des substances et agents chimiques, environnementaux, pharmaceutiques et de rayonnement sur la structure et la fonction du génome, à court, moyen et long terme.

Cette discipline permet d’obtenir des informations sur les variations des gènes codants pour des protéines et des métabolites intervenant dans diverses fonctions de l’organisme. Elle permet d’étudier la réaction des cellules après un contact direct avec une substance pour en connaître le danger potentiel, la relation dose-effet et le mode d'action, ou encore pour l'élaboration d'un biomarqueur et l'évaluation de la pertinence pour l'humain. En effet, utilisée au stade préliminaire (en screening), cette méthode permet de sélectionner et trier les molécules.

Pratiquée à partir de cellules humaines cultivées en laboratoire et moins onéreuse que les tests basés sur l'expérimentation animale, la toxicogénomique a reçu l'agrément du Parlement européen en juin 2007.

Bénéficiant d’investissements massifs aux Etats-Unis et au Japon, la toxicogénomique permet d’appuyer des mesures nationales et internationales et des approches intégrées plus efficaces en matière d’évaluation des risques toxiques pour la santé humaine et la préservation de l’environnement.

La prise de sang permet de rechercher dans le sang des marqueurs qui explorent le fonctionnement du corps et de différents organes. Des chercheurs proposent d’évaluer la toxicité d’un médicament directement à partir de la prise de sang du patient concerné. Cette technique s’inscrit dans le cadre d’une médecine personnalisée, par l’analyse directe de ce qui se passe chez le patient concerné, et notamment les interactions avec d’autres médicaments. La recherche à partir d’une prise de sang peut venir compléter une carte d’identité virtuelle du profil biologique du patient.

La recherche à partir d’une prise de sang peut également prendre place dans le cadre d’études spécifiques afin de répondre à une question scientifique. Les prises de sang sont alors regroupées en échantillon. Les participants à ce type de recherche sont volontaires devant confirmer leur consentement éclairé. Ils font l’objet d’un encadrement, informés des buts de l’étude, ainsi que des risques et des avantages possibles.

Les modèles synthétiques reproduisent l'anatomie humaine et animale de manière très précise, y compris les muscles, les tendons, les veines, les artères, les nerfs et les organes individuels. En effet, fabriqués à partir de composites complexes, les modèles produits reproduisent les propriétés mécaniques, physicochimiques, thermiques, des tissus vivants concernés. Les modèles peuvent saigner et respirer, utilisent des centaines de muscles, d'os, d'organes et de vaisseaux remplaçables.

Les travaux sur cette technologie de modèles synthétiques ont été lancés en 1993 à l'Université de Floride (USA). Les matériaux et modèles développés depuis peuvent remplacer l’utilisation des animaux dans l’étude de dispositifs médicaux, la formation clinique et la simulation chirurgicale, tant dans le domaine humain que vétérinaire, mais aussi dans l'évaluation des produits de consommation et les tests balistiques, comme le propose la société Syndaver.

Au sein de certaines écoles vétérinaires, sont également proposés aux étudiants des plateaux de simulation comprenant ces modèle synthétiques, réalité virtuelle, jeux de rôle, et ateliers comme à Vet Agro Sup ; ceci, dans l’objectif de « sensibiliser davantage sur le bien-être animal et d’éviter par la suite toute souffrance inutile pour les animaux vivants ».

L'évolution technologique au sein de l'éducation donne lieu progressivement à de nouvelles pratiques et méthodes de formation par le biais de dispositifs de simulation destinés tant aux étudiants en médicine humaine que vétérinaire.

En effet, la formation médicale, et la formation chirurgicale en particulier, est basée sur l'apprentissage de la théorie et la mise en pratique, dans certains cas sur l’animal, particulièrement le cochon en chirurgie, avant d’être poursuivie par l’expérience clinique acquise via le contact direct des étudiants avec les patients.

En 2016, en France, plus de 34000 animaux ont été tués à des fins éducatives. Dès lors, ces dispositifs de simulation présentent pour les étudiants un grand nombre d’avantages, en effectuant des dissections, des manipulations et des opérations sans utiliser d’être vivants.

L'histoire de l'informatique et de la réalité virtuelle dans la formation médicale a commencé par la proposition d'une interface graphique homme-machine appelée Sketchpad, proposée par Ivan Sutherland dans les années 1960. Les progrès dans ce domaine se sont accélérés à partir des années 1980, avec le développement des ordinateurs. Dans les années 1990, un certain nombre de facultés de médecine ont commencé à s'intéresser davantage à la simulation comme méthode pédagogique, comme au Brésil. La diffusion de cours tels que l’Advanced Cardiovascular Life Support (ACLS) et l’Advanced Trauma Life Support (ATLS) ont constitué un facteur majeur dans la diffusion de l'utilisation des dispositifs de simulation dans les facultés et auprès de groupes de professionnels.

Ont également été développées des tables virtuelles au rendu hyper réaliste obtenues grâce à des données issues de l’imagerie médicale fusionnées avec des données anatomiques. Offrant une véritable bibliothèque anatomique numérique 3D, ces dispositifs sont enrichis par des collections de scanners cliniques et des centaines de scénarios afin d’appréhender la complexité de cas réels dans une grande variété d’environnements. Ces patients virtuels atteints de symptômes évoluant dans le temps basés sur des algorithmes physiologiques, fournissent des expériences de simulation immersive pertinentes comme le propose le dispositif BodyInteract.