Solutions microfluidiques « corps sur puce » pour tirer parti de l'impression 3D

Le besoin de meilleurs modèles de laboratoire corporel

Trouver et tester de nouveaux médicaments est toujours un processus complexe et coûteux. Historiquement, cela reposait entièrement sur les tests des nouveaux produits sur les animaux et les humains.

Plus récemment, des tests in vitro ont été utilisés pour déterminer les effets d'un nouveau produit pharmaceutique potentiel sur des types de cellules spécifiques.

Cependant, la pertinence des études in vitro est toujours incertaine, car le corps entier, animal ou humain, est très différent d'une simple culture cellulaire. Un produit chimique anticancéreux pourrait être absorbé par l’intestin, transformé en une nouvelle molécule par le foie et avoir des effets inattendus sur le cerveau. Aucun de ces processus ne sera correctement identifié avec une simple culture de cellules cancéreuses.

Il s’agit loin d’un simple problème académique, car de nombreux médicaments potentiels échouent lors de la phase I des essais cliniques, révélant des problèmes de sécurité que les études animales et in vitro n’ont pas réussi à identifier suffisamment tôt.

Ceci, à son tour, coûte beaucoup d’argent et augmente le coût des futurs médicaments qui sauveront des vies.

Source: researchgate

Heureusement, une nouvelle technologie pourrait venir à la rescousse, avec une simulation beaucoup plus précise d’un corps entier en laboratoire.

Organe sur puce

Les « corps sur puce », également appelés « humains sur puce » ou systèmes microphysiologiques, cherchent à reproduire entièrement ou partiellement un corps à l'aide de cultures cellulaires.

Pour ce faire, il connecte entre eux plusieurs organes miniatures in vitro (« organ-on-a-chip »).

Source: Harvard 

Organe sur puce est une technologie utilisant la microfluidique pour fournir des nutriments à la culture cellulaire, créant ainsi une simulation réaliste de la diffusion de nutriments et de médicaments dans un organe réel.

Par exemple, cela peut créer un modèle de « voies respiratoires sur puce » simulant le fonctionnement des voies respiratoires humaines, ainsi que des modèles de intestins humains, un reins, ou moelle osseuse.

De l’organe sur puce au corps sur puce

En combinant plusieurs systèmes d’organes sur puce, vous pouvez commencer à créer des parties d’un corps complet et considérer correctement le processus biologique qu’un médicament effectuerait chez un patient réel.

Cela peut impliquer des mécanismes biologiques aussi divers que la réponse immunitaire, l’absorption de médicaments dans l’intestin, les poumons ou les vaisseaux sanguins, la contraction musculaire, le métabolisme hépatique, etc.

Source: Harvard

Encore une fois, cela est crucial, car la plupart des effets des médicaments (positifs et négatifs) ne peuvent être compris qu'en prenant en compte les réactions de nombreux organes différents.

Conceptions corps sur puce

Tous les corps sur puce ne sont pas fabriqués de la même manière, et de nombreuses conceptions différentes existent pour l'organe sur puce utilisé pour construire l'ensemble du système. Chacun a ses propres avantages et est utilisé différemment par les chercheurs en médecine.

Une façon de les classer consiste à utiliser le type de cellules et de tissus utilisés. Certains organes sur puces n'utilisent qu'un seul type de cellule (monoculture), soutenu soit par des microstructures artificielles, soit par des couches de collagène. D’autres ont plusieurs types de cellules assemblés ensemble, soit dans des sphéroïdes, soit dans des structures 3D plus complexes.

Source: Nature.com

Une autre méthode de catégorisation examine la manière dont les fluides sont transférés dans et entre les organes sur puces. Ils peuvent partager le même fluide ambiant ou être reliés via une conception personnalisée de tubes reproduisant le système sanguin ou lymphatique. Le flux de liquide peut être continu ou contrôlé par des transferts de fluide robotisés.

Ils peuvent également être séparés du liquide circulant contenant des nutriments et des médicaments par une membrane poreuse ou une couche de cellules (endothélium).

Source: Nature.com

Comme vous pouvez l’imaginer, cette diversité de designs crée des combinaisons possibles presque infinies. Ainsi, bien que déjà très utiles, les chercheurs n’en sont qu’au début de la conception d’organes sur puces et de corps sur puces et expérimentent encore pour trouver l’équilibre optimal entre répliques parfaites, fiabilité et coûts de production.

Marché des organes sur puce

L’organe sur puce est une nouvelle technologie qui atteint seulement maintenant une maturité suffisante pour quitter le laboratoire de recherche et entrer dans le processus de développement de médicaments. En 2023, il s’agissait d’un marché de 103 millions de dollars.

Estimations mises le marché des organes sur puce à 303 millions de dollars d'ici 2026, avec une croissance rapide due au remplacement des tests sur les animaux, ce qui donne une estimation pour 2027 à 529 millions de dollars. D'autres prévisions le voient atteindre 1.4 milliard de dollars d’ici 2032, faisant plus de 10x en 8 ans.

Le corps sur puce est encore plus récent et bénéficiera grandement de l’innovation technologique pour améliorer ses performances, sa fiabilité et réduire ses coûts.

Applications corps sur puce

Pharmacokinetics

La pharmacocinétique est une caractéristique clé des médicaments qui influence profondément leur efficacité et leur toxicité potentielle. En termes simples, il s'agit de la vitesse à laquelle le médicament se diffuse dans l'organisme et dans les tissus de chaque organe.

Ceci est difficile à prédire sur papier ou sur des modèles informatiques, car cela dépend de la façon dont les intestins, la circulation sanguine et les organes réagiront à un produit chimique spécifique.

Pour cela, des corps sur puce aussi complets que possible sont nécessaires, le point d'entrée du médicament variant selon qu'il est administré par voie orale (estomac et intestins), en aérosols (poumons) ou par voie intraveineuse (circulation sanguine).

Source: Nature.com

Médecine personnalisée

Une autre grande promesse du corps sur puce est le potentiel de la médecine personnalisée. De plus en plus, les chercheurs et les startups de biotechnologie cherchent à développer des médicaments non seulement destinés aux « humains » dans leur ensemble, mais adaptés à des sous-catégories (sexe, ascendance, âge, profil génétique, etc.) jusqu'à chaque patient individuel.

Grâce à leur grande reproductibilité, à l’absence de risque pour la santé et à leur moindre coût, ils peuvent avantageusement remplacer de nombreux essais cliniques pour peaufiner un médicament dès les premiers stades de développement.

Par exemple, ils pourraient aider à identifier d’autres médicaments candidats lorsque des problèmes de sécurité surviennent, en particulier si le problème ne touche qu’une sous-population spécifique.

Source: Nature.com

Dans un premier temps, les corps sur puces devront surtout démontrer leur supériorité par rapport aux études in vitro et animales existantes.

Cependant, l’objectif ultime sera la réplication précise des essais cliniques in vivo sur des patients.

Dans un futur encore plus lointain, on pourrait imaginer que des corps sur puce contenant les propres cellules du patient pourraient être utilisés pour prédire à l'avance la réaction à divers médicaments et déterminer la meilleure méthode thérapeutique.

L'impression 3D pour aider à fabriquer des corps sur puces

Les organes réels sont des structures 3D complexes avec un mélange complexe de différentes cellules et tissus.

Pour que l’organe sur puce constituant le corps sur puce complet puisse simuler de manière réaliste la réalité, le processus de fabrication doit créer une réplique presque exacte des tissus organiques réels. Ou, à l’avenir, peut-être même des organes pleinement développés.

Cela ne sera possible que grâce à une technologie émergente appelée bio-impression.

Elle reprend le principe clé de l'impression 3D : une buse est contrôlée par un ordinateur et dépose la matière souhaitée au bon endroit, petit à petit. Mais au lieu de déposer du plastique ou du métal, il dépose des cellules vivantes.

La bio-impression a évolué parallèlement à la technologie des organes et des corps sur puce, en se concentrant initialement davantage sur la résolution de la difficulté technologique liée à « l’impression » avec des cellules.

Actuellement, l’industrie s’appuie encore principalement sur des échafaudages artificiels pour structurer les cellules imprimées. Cependant, des progrès ont été réalisés dans la création d’organes imprimés en 3D qui ressemblent davantage à des organes organiques.

Ainsi, si l’organe sur puce actuel recrée principalement un modèle des multicouches formant les tissus d’un organe, le combiner avec des méthodes de bio-impression avancées pourrait créer des simulations encore plus réalistes.

Si vous souhaitez lire pour en savoir plus, nous avons exploré en profondeur la bio-impression dans nos articles «Organes à la demande : meilleurs stocks de bioimpression 3D" et "Une nouvelle technique permet l’impression 3D de tissus cérébraux fonctionnels ».

Entreprises de bio-impression et de corps sur puce

1. Groupe BICO AB (BICO.ST)

En 2021, Cellink a été rebaptisé BICO Group, suite à l'acquisition de Cyténa outils d'automatisation de laboratoire en 2019 et Scienion outils de mesure de micro-gouttes de haute précision en 2020.

Cellink est toujours le nom de marque de la partie bio-impression de l'entreprise.

Bien qu'il ne soit pas le seul dans le domaine, Cellink est clairement un fabricant d'équipements de bio-impression très avancé, dont l'objectif est de fournir aux chercheurs en biotechnologie et en biomédecine.

À long terme, les entreprises de bio-impression devraient évoluer, passant du statut de fournisseur d'outils aux chercheurs à celui de fournisseur de thérapies de bio-impression pour les patients des laboratoires pharmaceutiques. Cela modifiera radicalement le nombre de bio-imprimantes utilisées et, surtout, le volume de consommables vendus chaque mois.

Il s'agit du même processus qui s'est produit pour d'autres fabricants d'équipements de laboratoire biologique, notamment les machines de séquençage du génome de PacBio (PACB) et Illumina (ILMN), qui ont fini par réaliser 80 % de leurs revenus grâce aux ventes récurrentes de consommables.

2. Organovo

La technologie exclusive d'Organovo utilise des tissus humains imprimés en 3D pour imiter les aspects clés des tissus humains réels, notamment la composition, l'architecture, la fonction et la maladie.

Cela a été utilisé pour trouver de nouvelles molécules ayant un potentiel thérapeutique. En validant d'abord les molécules potentielles dans le modèle tissulaire 3D, la société espère réduire le risque d'échec des essais cliniques, grâce à un modèle cellulaire in vitro plus réaliste avant que des tests ne soient effectués sur des humains.

Le pipeline d'Organovo est axé sur les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) et la fibrose hépatique, avec un programme en phase 2/3 de l'essai clinique et un en phase 1. Les résultats du POC de phase 2a sont attendus au second semestre 2.

Source: Organovo

Il y a eu 2.1 millions de cas aux États-Unis en 2022 et 13 millions de cas dans le monde de colite ulcéreuse, une forme d'IFD, ce qui représente un marché de 6.6 milliards de dollars. Il devrait également continuer de croître à un TCAC de 6 % jusqu'en 2032, pour atteindre un marché de 12 milliards de dollars.

Comme Organovo utilise une simulation réaliste du tissu intestinal, avec un épithélium polarisé et une couche interstitielle, il est probable qu'ils aient une bonne représentation in vitro de la façon dont leur médicament agira sur un patient.

Source: Organovo

Il est probable qu’à mesure que la technologie du corps sur puce devient plus mature, l’approche d’Organovo consistant à utiliser des tissus humains imprimés en 3D deviendra encore plus susceptible de prédire les premiers problèmes potentiels dans le développement de médicaments.

Cela devrait à son tour l’aider à accélérer la découverte de médicaments et à utiliser son capital plus efficacement que ses concurrents qui s’appuient encore sur des méthodes plus anciennes.