Biotechnologie
Solutions microfluidiques « Body-On-Chip » pour exploiter l’impression 3D
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Mieux modéliser le corps en laboratoire
La découverte et l’évaluation de médicaments sont longues, complexes et coûteuses. Elles combinent notamment analyses chimiques, cultures cellulaires, modèles animaux et essais chez l’être humain.
Les essais in vitro permettent d’étudier les effets d’un candidat médicament sur des cellules ou des tissus. Ils ne sont pas une invention récente, mais leurs méthodes continuent de progresser.
Une culture cellulaire isolée ne représente pas toutes les interactions du corps. Une substance peut être absorbée par l’intestin, transformée par le foie puis agir sur un autre organe. Une simple culture de cellules cancéreuses ne reproduit pas nécessairement ce parcours.
Certains problèmes de sécurité ou d’efficacité apparaissent seulement pendant les essais cliniques. Les échecs peuvent survenir à différentes phases, et pas uniquement en phase I.
De meilleurs modèles précliniques pourraient aider à repérer plus tôt certains candidats peu prometteurs et à mieux orienter les ressources de recherche.
Source: Research Gate
Les organes sur puce offrent une voie pour reproduire en laboratoire certaines fonctions humaines de manière plus fidèle.
Les organes sur puce
Les systèmes microphysiologiques multi-organes, parfois appelés « corps sur puce », relient plusieurs modèles tissulaires. Ils reproduisent des fonctions choisies, et non un corps humain complet.
Ils associent des modules miniaturisés appelés organes sur puce, reliés par des échanges de fluides ou de substances.
Source: Harvard
Un organe sur puce utilise notamment la microfluidique pour faire circuler des nutriments et des molécules autour de cellules vivantes. Selon sa conception, il peut reproduire certaines barrières, contraintes mécaniques et fonctions d’un tissu.
Des modèles de voies respiratoires ont ainsi été développés, ainsi que des modèles d’intestins humains, de reins ou de moelle osseuse.
https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543
Des organes sur puce aux systèmes multi-organes
Relier plusieurs modules permet d’étudier certaines interactions entre tissus et le devenir d’un médicament au-delà d’un seul type cellulaire.
Les fonctions étudiées peuvent inclure l’absorption, le métabolisme hépatique, certaines réponses immunitaires ou la contraction musculaire. Aucun dispositif ne reproduit nécessairement toutes ces fonctions.
Source: Harvard
Cette approche peut révéler des effets liés aux échanges entre organes, tout en conservant les limites propres au modèle.
Différentes conceptions de systèmes multi-organes
Les dispositifs diffèrent par leurs cellules, leur architecture et leur circulation de fluides. Le choix dépend de la question scientifique.
Certains utilisent un seul type de cellule sur une microstructure ou une matrice. D’autres associent plusieurs types cellulaires, des sphéroïdes ou des tissus tridimensionnels.
Source: Nature.com
Les modules peuvent partager un milieu ou être reliés par des canaux et des transferts robotisés. Ces circuits modélisent certains échanges, sans reproduire intégralement le sang ou la lymphe.
Une membrane poreuse ou une couche endothéliale peut séparer les tissus du fluide circulant et représenter une barrière biologique.
Source: Nature.com
Les chercheurs doivent équilibrer pertinence biologique, reproductibilité, simplicité d’utilisation et coût. Une réplique parfaite du corps n’est pas nécessaire pour répondre à une question bien définie.
Le marché des organes sur puce
Les organes sur puce sont de plus en plus utilisés dans la recherche pharmaceutique. Les estimations commerciales citées dans le contexte de 2024 évaluaient ce marché à environ 103 millions de dollars pour 2023.
Certaines prévisions envisageaient 303 millions de dollars en 2026 ou 529 millions en 2027. Une autre estimation projetait 1,4 milliard de dollars en 2032. Ces chiffres proviennent de scénarios et de périmètres différents : ils ne constituent pas une seule trajectoire cohérente ni des résultats réalisés.
Les systèmes multi-organes restent confrontés à des défis de validation, de fabrication et de standardisation. Les gains futurs de fiabilité ou de coût doivent être démontrés.
Applications des systèmes multi-organes
Pharmacocinétique
La pharmacocinétique décrit l’absorption, la distribution, le métabolisme et l’élimination d’un médicament. Elle ne se limite pas à la vitesse de diffusion dans les tissus.
Elle dépend notamment des propriétés de la molécule, de la circulation sanguine et des fonctions des organes. Les modèles informatiques et expérimentaux peuvent se compléter pour l’étudier.
Un système multi-organes peut être conçu selon la voie d’administration étudiée : intestin pour une prise orale, poumon pour une inhalation ou compartiment vasculaire pour une administration intraveineuse.
Source: Nature.com
Médecine personnalisée
Des modèles issus de différents donneurs peuvent aider à étudier les variations de réponse liées à la génétique, à l’âge ou à d’autres facteurs. C’est une piste pour la médecine personnalisée.
Ces essais évitent d’exposer directement un patient pendant la phase expérimentale. Leur reproductibilité et leur pouvoir prédictif doivent néanmoins être validés ; ils ne remplacent pas automatiquement les essais cliniques.
Ils pourraient notamment aider à sélectionner des candidats ou à comprendre un problème de sécurité touchant certains groupes de patients.
Source: Nature.com
La valeur de chaque système doit être établie pour son usage, par comparaison avec des données humaines et des méthodes de référence.
L’objectif est d’améliorer la prédiction de réponses cliniques pertinentes, pas de présumer qu’une puce équivaut déjà à un essai chez des patients.
Des cellules provenant d’un patient pourraient un jour aider à comparer des options thérapeutiques. Cette utilisation nécessite une validation spécifique avant de guider les soins.
L’apport possible de la bio-impression 3D
Les organes présentent des structures tridimensionnelles complexes, formées de plusieurs types cellulaires et de matrices.
Les modèles doivent reproduire les caractéristiques utiles à la question étudiée. Construire un organe entier fonctionnel et transplantable est un objectif distinct.
La bio-impression peut contribuer à fabriquer ces modèles, aux côtés d’autres méthodes de culture et de microfabrication.
Certaines méthodes déposent des cellules et des biomatériaux couche par couche sous commande informatique. La bio-impression ne se limite toutefois pas aux procédés utilisant une buse.
Elle a progressé parallèlement aux organes sur puce, en cherchant notamment à préserver la viabilité et l’organisation des cellules pendant la fabrication.
Des matrices ou des supports peuvent stabiliser les structures. Les progrès dans les tissus imprimés ne signifient pas que des organes complets destinés à la greffe sont disponibles en routine.
Associer bio-impression et microfluidique pourrait améliorer certains modèles, à condition de valider leur fonctionnement et leur reproductibilité.
Nous explorons ce domaine dans les articles «Des organes à la demande : entreprises de bio-impression 3D» et «Une nouvelle technique permet d’imprimer du tissu cérébral fonctionnel en 3D».
Entreprises de bio-impression et de modèles tissulaires
1. BICO Group AB (BICO.ST)
Cellink a pris le nom de BICO Group en 2021, après les acquisitions de Cytena dans l’automatisation de laboratoire en 2019, puis de Scienion dans la distribution de microgouttes de haute précision en 2020.
CELLINK est restée la marque consacrée à la bio-impression.
CELLINK fournit des équipements aux chercheurs en biotechnologie et en biomédecine. Elle fait partie de plusieurs fabricants présents dans ce domaine.
Une adoption plus large pourrait accroître la demande d’équipements et de consommables. Le passage à des thérapies imprimées pour des patients demeure cependant incertain et dépend de la validation clinique et réglementaire.
Le modèle économique des équipements de laboratoire comprend souvent des consommables récurrents. C’est notamment le cas de PacBio (PACB) et d’ Illumina (ILMN). Leur part de chiffre d’affaires diffère toutefois : en 2023, les consommables de PacBio représentaient environ 63,4 millions de dollars sur 200,5 millions, soit près de 32%, et non 80%.
2. Organovo
Organovo utilise des tissus humains bio-imprimés pour modéliser certaines caractéristiques de tissus sains ou malades.
L’entreprise cherchait ainsi à sélectionner des molécules thérapeutiques avec des modèles précliniques plus pertinents. Une réponse favorable dans un tissu imprimé ne garantit pas une réussite chez les patients.
En 2024, Organovo travaillait notamment sur FXR314 et les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin, ou MICI. Elle a annoncé en avril 2024 des résultats de phase II dans la stéatohépatite associée à un dysfonctionnement métabolique. Les projets concernant la rectocolite hémorragique et leurs échéances devaient être distingués de cette étude hépatique.
Source: Organovo
La rectocolite hémorragique est une MICI. Les nombres de patients et prévisions commerciales cités dans les présentations dépendent du pays, de la période et de la définition retenue ; ils ne doivent pas être confondus avec l’ensemble des MICI.
Les modèles intestinaux peuvent associer un épithélium polarisé à d’autres couches tissulaires. Leur capacité à prédire la réponse d’un patient doit être évaluée, plutôt que déduite de leur seul aspect réaliste.
Source: Organovo
L’amélioration des tissus imprimés et des circuits microfluidiques pourrait aider à repérer certains problèmes plus tôt dans le développement des médicaments.
Les gains de temps et de coût, ainsi que l’avantage éventuel sur d’autres méthodes, restent à démontrer pour chaque usage.
