Une pompe inspirée de l'accordéon ouvre une nouvelle ère pour la technologie des laboratoires sur puce
Un dispositif unique en son genre reproduit en laboratoire les courbes de flux sanguin humain, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l'étude des maladies vasculaires, la recherche de nouveaux médicaments et la sécurité des voyages spatiaux.
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Depuis plus de 25 ans, la technologie des « laboratoires sur puce » permet aux chercheurs de modéliser des organes et des vaisseaux sanguins humains en utilisant de véritables cellules humaines dans des environnements microscopiques artificiels. Ces systèmes microphysiologiques (MPS) peuvent reproduire des cellules humaines et imiter des organes, voire des systèmes organiques complets, dans de nombreuses conditions. Ils sont devenus essentiels pour étudier des domaines allant des maladies cardiaques à l'efficacité de nouveaux médicaments.
Cependant, leur développement a été freiné par une limitation majeure : l’incapacité à recréer avec précision les formes d’onde du flux sanguin provenant du cœur humain.
« Cela fait des décennies que nous nous efforçons de mettre au point un système de perfusion réellement stable », a déclaré le Dr Abhishek Jain, maître de conférences en génie biomédical et titulaire de la chaire Barbara et Ralph Cox ’53 à l’université Texas A&M. « Le flux sanguin humain généré par les battements cardiaques se compose de multiples impulsions et de multiples longueurs d’onde, et il se produit sur une très courte période : il faut un changement de débit en moins de 50 millisecondes. Les équipements de pompage actuellement disponibles ne permettent pas d’atteindre cette précision. »
La forme d’onde du flux sanguin — et la réaction des cellules à celle-ci — est au cœur de nombreux problèmes de santé. Lorsque le profil d’onde du flux sanguin change en raison d’une maladie, de l’âge ou même de l’apesanteur, les cellules endothéliales qui tapissent tous les vaisseaux sanguins de l’organisme commencent à présenter des comportements cellulaires pathologiques, conduisant à terme à des maladies potentiellement mortelles.
Aujourd’hui, M. Jain et le Dr Ankit Kumar, qui vient d’obtenir son doctorat en génie biomédical à l’université Texas A&M, ont mis au point l’HemaDyne, une pompe unique en son genre capable de reproduire parfaitement le flux sanguin dans toutes les conditions et dans n’importe quelle partie du corps. Leurs travaux ont été publiés dans *Nature Communications*.
« Cette pompe permet de récupérer n’importe quelle courbe de débit sanguin enregistrée en clinique, qu’elle provienne d’un patient ou d’un vaisseau sanguin, puis de recréer cette courbe en laboratoire, où elle peut être observée », explique le Dr Kumar. « Grâce à cela, on peut observer le comportement des cellules endothéliales dans ces conditions. On peut étudier les tout débuts des maladies vasculaires et leur mécanisme de formation, afin de pouvoir les traiter à un stade précoce à l’aide de traitements thérapeutiques.
« On peut même prélever des cellules chez des patients humains et les placer à l’intérieur des puces afin de tester différents médicaments pour déterminer lesquels permettraient de traiter au mieux ces troubles liés à la circulation sanguine à un stade précoce et d’empêcher qu’ils ne se transforment, des décennies plus tard, en pathologies graves bouleversant la vie des patients. »
L’inspiration pour ce dispositif est venue d’un étudiant jouant de l’accordéon sur le campus de College Station de l’université Texas A&M. Bien que Jain et Kumar aient tous deux grandi en voyant régulièrement des harmoniums — des instruments de type accordéon souvent utilisés dans les comédies musicales de Bollywood —, ce n’est qu’en voyant cet étudiant inconnu en jouer devant un bâtiment d’ingénierie du campus qu’ils ont soudain compris la physique de l’instrument.
« Nous avons remarqué que l’accordéon possède au milieu ces soufflets qui peuvent se dilater et se contracter. C’est cette géométrie qui permet de créer une pression d’air sans trop d’effort », a expliqué Jain. « Il existe des pompes qui utilisent le flux de pression d’air, mais aucune d’entre elles n’a tiré parti de cette physique ou de cette géométrie, qui permet au musicien de créer des formes d’onde très rapidement. Nous avons émis l’hypothèse suivante : et si nous utilisions plutôt ce principe de variation de la pression d’air pour créer un flux ? »
Kumar et Jain ont commencé à étudier les applications potentielles des plis en accordéon en laboratoire. Si les accordéons sont coûteux, cette même géométrie est utilisée dans les flacons de colle en plastique de type « flacon accordéon », disponibles à moins d’un dollar pièce. Disposant des principes scientifiques précis qu’ils recherchaient, les chercheurs se sont attelés à transformer le distributeur de colle en un système capable de générer des formes d’onde de pression, à l’instar des harmonies musicales. La solution s’est avérée être les imprimantes 3D.
« Il existe une vaste communauté open source dédiée à l’impression 3D ; j’ai donc emprunté le micrologiciel des imprimantes 3D », a expliqué Kumar. « Il s’agit d’un langage appelé G-code. J’ai pu utiliser ce langage pour mesurer les ondes du flux sanguin chez un patient — les convertir en G-code — puis reproduire ces ondes en laboratoire, ce qui nous a permis d’étudier des maladies vasculaires complexes. »
La compréhension des origines des maladies vasculaires ne représente qu’une petite partie du potentiel de ce dispositif. La capacité à modéliser avec précision les conditions de toute maladie mesurable à l’aide de cellules humaines dans un petit dispositif facilement transportable pourrait ouvrir la voie à de nombreuses applications, de la découverte de nouveaux médicaments aux voyages spatiaux.
« On peut faire fonctionner ces systèmes pendant des mois. On peut les envoyer dans l’espace et les ramener. On peut modéliser des maladies chroniques », a déclaré M. Jain. « Cela a ouvert la voie à de nouvelles technologies. D’ici cinq ans, le fait de connecter les systèmes MPS à cette technologie de pompe pourrait les rendre suffisamment robustes et standardisés pour permettre la réalisation d’essais cliniques rigoureux, dont les chances de succès seront nettement supérieures à ce qu’elles sont aujourd’hui. Cela se traduira par de meilleurs médicaments, une meilleure compréhension des maladies humaines, une meilleure compréhension de ce qui arrive à la santé des astronautes lorsqu’ils partent dans l’espace et en reviennent, ainsi qu’une meilleure compréhension du vieillissement et du cancer. »
Ces recherches ont été menées avec le soutien de la NASA, qui considère cette technologie comme un élément prometteur pour assurer la sécurité des missions habitées vers Mars.
« Nous avons vraiment de la chance de bénéficier du financement de la NASA et de ses partenaires pour pouvoir mener ce type de travaux à fort impact avec nos étudiants en génie biomédical, qu’ils soient en licence ou en master », a déclaré M. Jain. « C’est un exemple de la manière dont l’ingénierie des instruments peut faire progresser la biologie. Ce dispositif ouvrira la voie à de nouvelles découvertes biologiques. »
Le dispositif fait actuellement l’objet d’une demande de brevet avec l’aide du bureau de l’innovation de l’université Texas A&M.
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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