Les méthodes « in vitro » utilisent des tissus, micro-organismes, cellules ou autres matériels biologiques. Les plus prometteuses partent des techniques classiques de cultures de cellules pour produire en 2 et même 3 dimensions des modèles d’analyse des différents organes et tissus, peu coûteux et rapides. Les résultats en médecine humaine sont d’autant plus fiables que l’on utilise des cellules et tissus d’origine humaine. 

Des exemples de méthodes « in vitro » ?

Les cellules souches d’origine humaine 

Elles sont de plusieurs types : cellules souches spécifiques d’un tissu, cellules souches issues du cordon ombilical, cellules souches pluripotentes, celles-ci incluant les cellules souches embryonnaires et les cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS). Ces dernières sont des cellules matures qui, après « reprogrammation » (dé-différenciation puis re-différenciation dans le type cellulaire recherché), permettent de donner naissance à tous les types de cellules de l’organisme, normales ou pathologiques (si elles proviennent d’un patient atteint par une affection donnée). 

Les espoirs mis dans ces techniques couvrent de multiples domaines, en toxicologie, en thérapie cellulaire et médecine régénérative ; ils constituent aussi des outils précieux en recherche fondamentale. Des biobanques de lignées de cellules souches pluripotentes sont mises en place.

Les organoïdes 

Ils sont constitués à partir de culture de cellules (cellules précurseurs du tissu, cellules souches), visant à présenter des fonctionnalités d’organes humains en 3 dimensions. La technique est développée depuis 2013. Ils sont de plus en plus utilisés, aussi bien à partir de tissus sains que de tissus pathologiques, pouvant constituer des modèles cellulaires de maladies humaines. Leurs applications sont multiples : médecine régénérative, tests de toxicité, tests d’efficacité de médicaments, modélisation d’infections, médecine personnalisée … et ce pour quasiment tous les organes, y compris le cerveau ou la rétine.

Ces mini-organes ne sont pas capables – en l’état actuel de la recherche – de reproduire toutes les réponses biologiques comme un véritable organe  mais ils permettent aux chercheurs d’étudier une variété de réponses physiologiques à des manipulations et des traitements spécifiques. Ils permettent aussi, pour un patient donné, à partir de ses propres cellules, de tester l’efficacité d’un médicament potentiel.

Les organes/organoïdes sur puce 

Ils ont été développés grâce aux progrès à la fois des nanotechnologies et des cultures de cellules. Grâce à des systèmes de microfluidique (microcanaux), ces dispositifs peuvent reproduire la structure et la fonction d’un organe (ou plusieurs organes) : peau, poumon, foie, muscle cardiaque, os, rein, intestin, cerveau… 

Ces organes sur puces sont constitués d’un polymère transparent et flexible et contiennent des canaux microfluidiques creux bordés de cellules humaines vivantes (provenant d’une biopsie, ou de cellules souches, ou encore de lignées cellulaires immortalisées). Les canaux microfluidiques contiennent de minuscules quantités de liquide allant de moins d’un micron à quelques millimètres. Ils sont équipés de forces mécaniques qui peuvent imiter l’environnement physique des organes, comme les mouvements respiratoires (poumon sur puce) ou les mouvements de type péristaltique (intestin sur puce) ; un système de micro-perfusion peut simuler le circuit sanguin. Lorsque des nutriments, de l’air, du sang ou des médicaments sont ajoutés, les cellules reproduisent certaines des fonctions clés de l’organe. De telles puces peuvent inclure plusieurs organes reliés entre eux (puces multi-organes).

Ces techniques peuvent être utilisées pour les études réglementaires d’efficacité et de toxicité, la médecine personnalisée, l’étude de pathologies (par exemple en utilisant des cellules tumorales).

Les acteurs sont principalement des start-up commercialisant des prototypes. De fait, c’est une industrie en plein développement.

La bio-impression

L’impression de tissus est une technologie de l’ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative qui implique des chercheurs de différentes disciplines : médecine, ingénierie, biologie, chimie.  

Il existe différentes technologies d’impression 3D. Le principe général est de mettre en oeuvre des processus de jonction de matériaux ou de liquides, couche par couche, sous contrôle informatique, pour créer des objets en trois dimensions, en l’occurrence, pour la bio-impression, des tissus biologiques artificiels. La bio-impression 3D utilise des cellules et d’autres produits biologiques pour construire un tissu vivant. Les chercheurs ont ainsi dû trouver des matériaux et des processus d’impression compatibles avec les cellules et les tissus vivants. Ils ont également dû trouver des matériaux appropriés pour construire des échafaudages qui contiennent et façonnent les biomatériaux sous la forme souhaitée. Ces matériaux d’échafaudage peuvent être naturels ou synthétiques. Plusieurs approches méthodologiques ont été développées (laser, dépôt de « gouttes », micro-extrusion…).

Les applications potentielles sont vastes : modèles in vitro de pathologies, test de médicaments (efficacité, toxicité), screening, médecine régénérative (à des fins de greffes d’organes notamment).

Certains obstacles techniques résistent encore. Il y a un compromis à trouver entre la résolution, la compatibilité avec le dépôt cellulaire, la viabilité cellulaire ainsi que la stabilité mécanique. Des progrès rapides sont cependant attendus.

La bio-impression peut être combinée avec la technologie d’organe sur puce pour étudier des fonctions physiologiques.

Le criblage (screening) à haut débit  

Il représente une méthode automatisée pour tester les activités biologiques de milliers de produits chimiques qui étaient auparavant testés sur les animaux ; l’idée est de faire réagir simultanément un grand nombre de molécules différentes avec un substrat donné. Ce saut qualitatif dans la procédure de découverte de médicaments a été réalisé grâce à une synergie entre la chimie, la biologie, l’ingénierie et l’informatique. Aux Etats-Unis, cette technique est soutenue par une initiative gouvernementale appelée « Toxicologie au 21ème siècle » (Tox21), pour « développer de meilleures méthodes d’évaluation de la toxicité afin de tester rapidement et efficacement si certains composés chimiques ont le potentiel de perturber les processus dans le corps humain qui peuvent entraîner des effets négatifs sur la santé ». L’objectif est de disposer de modèles prédictifs de la réponse biologique in vivo.

Notons qu’en Europe, Eurotox (fédération des toxicologistes européens et sociétés européennes de toxicologie) poursuit des objectifs similaires. 

Les tests à haut débit sont également utilisés avec les organes sur puces. Cette technologie est actuellement encore trop chère pour une utilisation généralisée, mais des travaux sont en cours pour rendre son coût plus compétitif afin qu’elle puisse remplacer les modèles conventionnels.