Nouvelle possibilité de traitement du cancer : un laboratoire miniature permet de comprendre le développement des métastases
Le Fraunhofer IWS met au point des systèmes microphysiologiques pour la culture de sections de tissus tumoraux dans le cadre d'un effort conjoint
Chaque année, un cancer est diagnostiqué chez près d'un demi-million de personnes en Allemagne. Malgré l'existence d'options thérapeutiques efficaces pour de nombreux types de cancer, de nombreuses questions sur le développement de la maladie restent sans réponse. Pourquoi une tumeur se développe-t-elle ? Quels sont les facteurs qui favorisent la croissance des cellules cancéreuses ? Pourquoi les métastases s'étendent-elles à d'autres organes au fil du temps ? Les modèles animaux principalement utilisés à ce jour ne représentent que de manière limitée les processus réels dans le corps humain. L'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux IWS de Dresde a développé des microsystèmes spéciaux en collaboration avec l'Institut Fraunhofer pour la toxicologie et la médecine expérimentale ITEM de Hanovre et l'université de Ratisbonne. Ils les utilisent actuellement pour examiner des coupes de tissus tumoraux dans des conditions réalistes.
Le Fraunhofer IWS développe depuis plusieurs années des systèmes microphysiologiques de la taille d'une boîte de comprimés. Il est désormais possible de cultiver jusqu'à dix coupes de tissus sur une seule puce.
© minkus-images.de/Fraunhofer IWS
Depuis plusieurs années, le Fraunhofer IWS développe avec succès des systèmes microphysiologiques de la taille d'une boîte de comprimés. Ils peuvent être utilisés pour imiter le fonctionnement d'un organe ou des processus pathologiques en culture cellulaire, pour étudier des maladies en dehors de l'organisme, c'est-à-dire ex vivo, et pour tester des médicaments. "Nous empilons plusieurs couches de film plastique", explique Stephan Behrens, ingénieur en développement chez Fraunhofer IWS. Ces couches sont structurées plus tôt à l'aide de lasers pour créer des canaux et des chambres, ainsi que des pompes et des valves. Ils représentent différents processus du corps humain. Un fluide semblable au sang circule dans les systèmes microphysiologiques, alimentant les cellules en oxygène et en nutriments. Un nouveau défi dans le cadre d'un projet interdisciplinaire consistait à étudier la métastase des tumeurs dans les systèmes microphysiologiques.
Christoph Klein, professeur principal de médecine expérimentale et de recherche thérapeutique à l'université de Ratisbonne et directeur de la division des thérapies tumorales personnalisées au Fraunhofer ITEM, a fait part de sa demande au Fraunhofer IWS. Avec l'université d'Erlangen-Nuremberg, la Fondation allemande pour la recherche avait approuvé un nouveau centre de recherche collaboratif pour les chercheurs de Ratisbonne en 2020. L'objectif est de découvrir comment les métastases colonisent les organes.
La tumeur et le système immunitaire interagissent sur une puce
"Pour étudier cela, il était important pour nous d'intégrer plusieurs sections de tissus tumoraux dans notre système microphysiologique", explique Florian Schmieder, chef de groupe au Fraunhofer IWS. C'est ce que ce projet a permis de réaliser pour la première fois au monde. Il est désormais possible de cultiver en parallèle jusqu'à dix coupes de tissus sur une seule puce. L'équipe du Fraunhofer IWS a en outre réalisé des ports à partir desquels elle peut prélever des échantillons pour les examiner à tout moment. "Nous pouvons également mesurer en continu des paramètres importants tels que la teneur enCO2, le pH et la concentration en oxygène", poursuit-il. "Nous utilisons ces capteurs pour effectuer des mesures directement à l'intérieur du système microphysiologique et ils peuvent être réutilisés pour d'autres recherches."
Les experts du Fraunhofer ITEM ont apporté leurs connaissances en matière de coupes de tissus. Ils ont opté pour des coupes ultrafines de tissu pulmonaire, explique le professeur Armin Braun, responsable de la pharmacologie et de la toxicologie précliniques au Fraunhofer ITEM. "Lorsqu'on opère un patient atteint d'une tumeur pulmonaire, il faut retirer non seulement la tumeur elle-même, mais aussi les tissus sains." Un vibratome équipé d'une lame de rasoir oscillante produit des tranches très fines d'une épaisseur de 350 µm et d'un diamètre d'environ un centimètre à partir de ces échantillons. Celles-ci sont encore bien alimentées en nutriments. Appliquées sur la puce, les tranches de tissu restent vitales et fonctionnelles dans le système microphysiologique pendant une période prolongée. "Nous pouvons donc observer l'interaction du système immunitaire humain avec la tumeur", ajoute M. Braun. Toutes les cellules immunitaires pertinentes sont déjà présentes dans la section. "Cela signifie que nous sommes très proches du système réel, bien plus proches que ne le seraient des modèles animaux."
Utiliser les systèmes pour étudier d'autres maladies
Comment le cancer se développe-t-il et comment se propage-t-il dans l'organisme ? Il est important de noter que le métabolisme de la tumeur diffère de celui du tissu normal. "Il est important pour les cliniciens de pouvoir étudier quelles conditions dans un organe favorisent les métastases", explique Florian Schmieder. Des concentrations d'oxygène et des valeurs de pH élevées sont cruciales à cet égard. Les chercheurs du Fraunhofer IWS souhaitent à l'avenir ajuster ces conditions environnementales de manière encore plus efficace dans les microsystèmes. "Jusqu'à présent, par exemple, nous avons pu modifier la teneur en oxygène dans l'ensemble du système", poursuit-il. L'un des défis à relever consiste à permettre différentes concentrations d'oxygène sur une puce afin d'observer la réaction des cellules tumorales et des métastases.
Idéalement, il serait possible de combiner plusieurs types de tissus provenant d'un même patient. "De tels échantillons sont rares dans la réalité", explique M. Schmieder. Cependant, il est possible de combiner dans le système des échantillons de sang et de tissus provenant d'un même patient. En combinaison avec les différents capteurs, il en résulte une valeur ajoutée qui n'était pas réalisable avec d'autres méthodes. La technologie peut également servir d'alternative judicieuse aux expériences sur les animaux. Malheureusement, la recherche ne peut pas encore se passer de modèles animaux.
Parallèlement, l'équipe de 15 personnes du Fraunhofer IWS travaille actuellement sur des projets visant à tester l'utilisation de coupes de tissus pour d'autres maladies. La fibrose en est un exemple. Dans ce cas, le système immunitaire réagit différemment au tissu, qui se durcit de manière pathologique et perd partiellement sa fonction. Ces processus limitent la fonction des tissus et des organes. "Nous travaillons sur cette question dans le cadre du projet interne Fraunhofer FIBROPATHS", explique M. Schmieder. L'objectif est de déterminer les systèmes spécifiques dont les différents tissus ont besoin dans le mini-laboratoire pour être cultivés plus longtemps.
De nouvelles thérapies possibles pour les patients atteints de cancer
Le professeur Christoph Klein est encouragé par les résultats de recherche obtenus sur la croissance des tumeurs et la formation des métastases à l'aide de systèmes microphysiologiques. "Si nous voulons étudier les maladies, il s'agit d'une nouvelle opportunité intéressante pour nous", déclare le médecin. "Comprendre les métastases de manière globale est la clé de nouvelles méthodes thérapeutiques qui empêchent la formation ultérieure de métastases dans l'organisme des patients atteints de cancer."
Florian Schmieder voit dans la technologie un excellent potentiel pour l'avenir : "Nos systèmes deviennent de plus en plus modulaires." À l'avenir, différents composants pourraient être combinés de manière inédite afin de clarifier diverses questions scientifiques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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