Les chercheurs de Georgia Tech et Vanderbilt ont construit le premier poumon sur la puce avec un système immunitaire en activité, une percée susceptible de remodeler la façon dont nous étudions les maladies, allons au-delà des tests animaux et administrant des thérapies vitales. L’œuvre est publiée dans la revue Génie biomédical de la nature.
Sur une puce en polymère claire, douce et souple comme un ours gommeux, un poumon microscopique prend vie – expansant, circulant et, pour la première fois, se protégeant comme un organe vivant.
Pour Ankur Singh, directeur du Centre pour l’immuno-ingénierie de Georgia Tech, en regardant les cellules immunitaires se précipiter à travers la puce lui a repoussé le souffle. Singh a co-réalisé l’étude avec le collaborateur de longue date Krishnendu « Krish » Roy, ancien professeur de Regents et directeur du NSF Center for Cell Manufacturing Technologies at Tech et maintenant le professeur distingué de Bruce et Bridgitt Evans de l’ingénierie et de l’université à l’Université Vanderbilt.
Rachel Ringquist, étudiante diplômée de Roy, et maintenant boursier postdoctoral avec Singh, a mené le travail dans le cadre de sa thèse de doctorat.
« C’était le moment » wow « », a déclaré Singh. « C’était la première fois que nous sentons que nous avions quelque chose de proche d’un vrai poumon humain. »
Les plateformes pulmonaires sur la puce offrent aux chercheurs une fenêtre sur le comportement des organes. Ils ont à peu près la taille d’un timbre-poste, gravés avec de minuscules canaux et bordés de cellules humaines vivantes. L’innovation de Roy et Singh ajoutait un système immunitaire fonctionnel – la pièce manquante qui transforme une puce en un véritable modèle de la façon dont le poumon combat la maladie.
Maintenant, les chercheurs peuvent surveiller comment les poumons réagissent aux menaces, comment l’inflammation se propage et comment la guérison commence.
Les enjeux humains
Pour des millions de personnes aux prises avec une maladie pulmonaire, la vie quotidienne peut se sentir presque impossible, que ce soit à monter les escaliers, à transporter l’épicerie ou même à rire trop fort. Les médecins et les scientifiques tentent depuis des décennies pour débloquer ce qui se passe vraiment dans les poumons fragiles.
« Ce modèle unique pulmonaire sur la puce ouvre de nouvelles voies de découverte précliniques qui permettra aux chercheurs de mieux comprendre l’interaction des réponses immunitaires aux infections virales graves et d’évaluer les traitements antiviraux critiques », a déclaré Roy.
Pour Singh, le professeur de famille Carl Ring à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering avec un rendez-vous conjoint dans le département de génie biomédical de Wallace H. Coulter, cette recherche est profondément personnelle. Il a perdu un oncle lorsqu’une infection a submergé son système immunitaire élaboré par le cancer.
« Cette expérience reste avec vous », a expliqué Singh. « Cela m’a donné envie de construire des systèmes qui pourraient prédire et empêcher des résultats comme ça, donc moins de familles passent par ce que la mienne a fait. Je pense à mon oncle tout le temps. Si un travail comme ça signifie que moins de familles perdent quelqu’un qu’ils aiment, alors cela vaut tout. »
Cette motivation a poussé son équipe à réinventer ce qu’un poumon sur la puce pourrait faire, préparant le terrain pour les percées qui ont suivi.
Quand le poumon s’est battu
Le tournant est survenu lorsque l’équipe de Roy et Singh a regardé au microscope et a vu quelque chose que personne n’avait jamais été témoin sur une puce: le sang et les cellules immunitaires traversant de minuscules structures en forme de vaisseau, se comportant comme elles le font dans un poumon vivant.
Pendant des années, les chercheurs ont eu du mal à ajouter l’immunité aux systèmes d’organe sur puce. Les cellules immunitaires sont souvent mortes rapidement ou n’ont pas réussi à circuler et à interagir avec les tissus comme ils le font chez les gens. L’équipe a résolu ce problème, créant une puce où les cellules immunitaires pourraient survivre et coordonner une défense.
« Ce fut un moment de percée incroyable », a déclaré Singh.
Le véritable test est survenu lorsque l’équipe a introduit une grave infection du virus de la grippe. Le poumon a monté une réponse immunitaire qui reflétait étroitement ce que les médecins voient chez les patients. Les cellules immunitaires se sont précipitées sur le site d’infection, l’inflammation se propage à travers les tissus et les défenses activées en réponse.
« C’est à ce moment-là que nous avons réalisé que ce n’était pas seulement un modèle », a déclaré Singh. « Il capturait la vraie biologie de la maladie. »
Une approche plus humaine
Pendant des décennies, la recherche pulmonaire s’est appuyée sur des modèles animaux. Mais les souris n’ont pas d’asthme comme des enfants. Leurs corps ne montent pas les mêmes défenses.
« Cinq souris dans une cage peuvent répondre de la même manière, mais cinq humains ne le feront pas », a expliqué Singh. « Notre puce peut refléter cette différence. C’est ce qui le rend plus précis et pourquoi il pourrait réduire considérablement le besoin de modèles animaux. »
Roy a souligné son potentiel.
« La vision stratégique de la Food and Drug Administration de réduire les tests animaux et de développer des modèles non animaux prédictifs s’aligne parfaitement avec notre travail. Cet appareil va plus loin que jamais dans la modélisation de la grippe sévère humaine et fournissant des informations sans précédent sur la réponse immunitaire pulmonaire complexe », a-t-il déclaré.
Se battre plus que la grippe
Ce qui a commencé avec la grippe se développe maintenant à un plus large éventail de maladies. Roy et Singh croient que la plate-forme peut être utilisée pour étudier l’asthme, la fibrose kystique, le cancer du poumon et la tuberculose. Les chercheurs travaillent également à intégrer les organes immunitaires, montrant comment les coordonnées pulmonaires avec les défenses du corps.
La vision à long terme est la médecine personnalisée: des puces construites à partir de cellules d’un patient pour prédire quelle thérapie fonctionnera le mieux. La mise à l’échelle, la validation clinique et l’approbation réglementaire prendront des années, mais Singh n’est pas découragé.
« Imaginez savoir quel traitement vous aidera avant de le prendre », a déclaré Singh. « C’est là que nous nous dirigeons. »
Là où nous nous dirigeons, l’avenir n’attend pas la maladie. Au lieu de cela, il l’anticipe, l’intercepte et réécrit le résultat.
