Un nouvel angle d'approche dans la recherche sur la décompression
Les chercheurs du laboratoire Shields de l'université du Colorado à Boulder, dirigés par Wyatt Shields, professeur adjoint de génie chimique et biologique, étudient comment les microparticules artificielles, spécialement conçues pour la biomédecine, peuvent être utilisées dans des domaines tels que la biodétection, où elles se lient à certaines molécules ou cellules pour permettre l'administration de médicaments et la détection de conditions biologiques.
Shields et Abby Harrell, une étudiante en troisième année de master, utilisent des dispositifs de poumon sur puce, qui offrent un moyen non invasif d'étudier la réponse du système immunitaire à l'accident de décompression (ADD). Ils utilisent des dispositifs microfluidiques qui imitent la structure de l'espace alvéolaire et de la microvascularisation du poumon et étudient la réaction des cellules immunitaires aux changements de pression et de gaz dissous. Leur objectif est d'identifier des biomarqueurs potentiels de l'ADD et d'explorer de nouvelles options de traitement de l'ADD dans un environnement de laboratoire contrôlé.
Comment l'ingénierie et l'immunologie vous ont-elles amené à étudier l'ADD ?
Shields: Mon laboratoire se concentre sur l'ingénierie des systèmes de particules pour la biomédecine. Nous étudions des applications telles que la biodétection et l'administration de médicaments. Nous nous sommes récemment intéressés à la manière dont ces particules interagissent avec les cellules immunitaires et, plus particulièrement, à la manière dont les cellules immunitaires peuvent faciliter le transport et le fonctionnement de ces particules. Nous avons découvert que les particules ont un impact significatif sur les cellules immunitaires, ce qui nous a amenés à explorer l'incroyable adaptabilité et complexité du système immunitaire.
Il y a environ deux ans et demi, nous avons commencé à nous intéresser à l'ADD et nous avons réalisé qu'il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas concernant ses origines. Nous essayons de déterminer si le système immunitaire joue un rôle plus important dans l'ADD que nous ne le pensions initialement. Plus nous en apprenions, plus nous réalisions à quel point le système immunitaire est impliqué dans cette maladie.
Harrell: Quand le projet ADD de Wyatt a obtenu un financement de l'Office of Naval Research, j'entamais ma première année d'études supérieures. J'ai toujours été intéressée par l'immunologie et l'immuno-ingénierie. Wyatt a présenté ce projet, et j'ai été séduite par l'idée de combiner l'ingénierie chimique et biologique traditionnelle avec un dispositif de poumon sur puce. C'était une direction que je n'avais pas prévue pour mon doctorat, mais l'intérêt pour l'ADD et sa pertinence directe pour les plongeurs rendait l’idée attrayante.
Qu'est-ce qu'un dispositif de poumon sur puce ?
Harrell: Il s'agit d'un modèle de microfluidique qui reproduit les composants des poumons, en particulier l'espace alvéolaire. Il comporte deux canaux : le canal supérieur qui imite le compartiment aérien et le canal inférieur qui représente la microvascularisation. Cette configuration nous permet d'étudier la façon dont les gaz se dissolvent dans le sang lorsque la pression augmente, ce qui se produit chez un plongeur.
Il intègre également des éléments de la physiologie pulmonaire, tels que les échanges gazeux et le flux sanguin dans l’espace alvéolaire, qui ne sont généralement pas présents dans les modèles traditionnels. Nous pouvons perfuser du sang entier, y compris des cellules immunitaires, dans le canal inférieur de la puce et observer la réaction de ces cellules immunitaires aux variations de pression et aux gaz dissous, le tout sans utiliser de modèles animaux ou humains.
Shields: En tant qu'ingénieurs, nous sommes enthousiastes à l'idée d'aborder un problème sous un angle différent. Nous avons donc été attirés par la création d'un poumon sur puce. L'un des principaux avantages de ce système est qu'il est basé sur la biologie humaine, contrairement aux modèles sur animaux. Bien que les études sur les animaux soient inestimables et fournissent des informations sur le système immunitaire, il existe souvent un décalage lorsque l'on applique ces résultats directement aux humains. C'est pourquoi nous essayons d'utiliser des cellules humaines pour une compréhension plus précise. Traditionnellement, les cellules humaines sont étudiées in vitro, ce qui signifie qu'elles sont placées dans une boîte de Pétri et exposées à des conditions qui imitent la plongée mais ne reflètent pas la biologie complexe du corps humain.
Le système de poumon sur puce imite la structure du poumon, en particulier l'endroit où l'air entre et les couches de cellules qui recouvrent les sacs alvéolaires et les vaisseaux sanguins juste en dessous. Cette configuration nous permet d'étudier comment les gaz sont échangés entre ces couches. Comme Abby l'a mentionné, nous observons des réponses immunitaires dans le sang que nous ne verrions pas dans un modèle traditionnel avec une boîte de Pétri.
Nous avons découvert que lorsque nous exposons le dispositif poumon sur puce à des conditions hyperbares, les réponses diffèrent considérablement de ce que nous observons dans les cellules isolées. Cette observation suggère que la physiologie complète et intacte du poumon est cruciale pour comprendre ce qui se passe pendant l'ADD et c'est pourquoi nous pensons que ce modèle est si important.
Le poumon sur puce nous permet d'aborder des questions spécifiques difficiles à explorer dans les études sur l'homme, qui nécessitent souvent des autorisations éthiques importantes. Comme nous travaillons avec un dispositif contrôlé, nous pouvons tester des médicaments et expérimenter différentes stratégies plus librement.
Comment le dispositif est-il développé ?
Shields: J'ai une formation d'ingénieur et j'ai mis à profit mon expérience postdoctorale à l'Institut Wyss de Harvard, où le poumon sur puce a été développé à l'origine. Nous avons réalisé que nous pouvions tirer parti de cette technologie, ce qui nous a permis d'expérimenter avec des variables et de créer des modèles plus réalistes.
L'une des principales raisons pour lesquelles nous étions enthousiastes à l'idée de ce projet était que les systèmes microphysiologiques (communément appelés technologies d'organes sur puce), en particulier le modèle pulmonaire, nécessitent une compréhension approfondie des principes de la bio-ingénierie. Il ne s'agit pas seulement de créer le dispositif, mais aussi de gérer le flux de cellules, de sang et d'autres fluides pour simuler des conditions physiologiques réelles. L'expertise en ingénierie garantit que nous imitons la structure et la fonction pulmonaires pour que les modèles fonctionnent.
Un autre aspect passionnant de cette technologie, en particulier dans le contexte de l'ADD, est que la recherche utilisant des modèles d'organes sur puce n'en est qu'à ses débuts. Les modèles d'organes sur puce ne sont pas destinés à remplacer les études sur les animaux, mais plutôt à les compléter. Ils constituent une plateforme importante pour étudier les maladies dans un environnement plus contrôlé avant de passer aux modèles animaux ou aux essais cliniques.
L'application de ce modèle à l'ADD est particulièrement intéressante, car nous pouvons explorer cette maladie grâce à une nouvelle technologie de pointe qui n'a pas été beaucoup utilisée dans ce contexte. C'est une occasion passionnante de faire progresser notre compréhension de manière novatrice.
Comment se déroule le processus de test?
Harrell: Nous avons construit une chambre sur mesure il y a quelques années qui nous permet de contrôler les phases de pression et de décompression. Nous plaçons des puces dans la chambre hyperbare pendant environ une heure pour simuler les conditions de plongée récréative et ajuster le profil de pression en fonction du scénario que nous étudions.
Après avoir pressurisé et dépressurisé le système, nous retirons les puces et mesurons les réponses immunitaires. Nos premières expériences se sont concentrées sur les cellules immunitaires innées, qui sont les premières à réagir au stress. Nous utilisons divers tests pour examiner le phénotypage cellulaire, en recherchant des marqueurs qui nous indiquent si les cellules immunitaires sont dans un état inflammatoire ou anti-inflammatoire. Nous analysons également la manière dont ces cellules utilisent les sécrétions pour communiquer entre elles.
Désormais, nous nous penchons plus profondément sur les processus et les mécanismes génétiques pour comprendre pourquoi les cellules réagissent de cette manière.
Shields: À mesure que nous comprenons mieux la physiologie de ces systèmes, nous espérons que le poumon sur puce pourra aider à identifier des marqueurs pour diagnostiquer l'ADD. Nous pourrions potentiellement identifier des biomarqueurs inter- et intra-individuels qui indiquent les niveaux de risque d'ADD en examinant les mécanismes génétiques et moléculaires.
Si nous identifions ces marqueurs, nous pourrions tester des médicaments qui inhibent ou favorisent certaines fonctions avant de plonger. Grâce au poumon sur puce, nous pourrions tester facilement et rapidement ces médicaments en laboratoire sans avoir besoin de sujets humains, ce qui donne à cette technologie un énorme avantage pour ce type de recherche.
La Food and Drug Administration (FDA) aux États-Unis ne considère pas encore les études sur les organes sur puce comme un élément d'aide à l'approbation clinique, mais des discussions avec des représentants de la FDA suggèrent qu'ils travaillent à la normalisation des études sur les organes sur puce entre les laboratoires et à l'intégration de ces données dans le processus réglementaire des essais cliniques.
Prévoyez-vous d'utiliser d'autres organes sur puce dans le cadre de vos recherches ?
Shields: Bien que nous n'ayons pas prévu d'intégrer d'autres modèles d'organes dans ce projet spécifique, il existe un intérêt croissant pour la connexion de plusieurs dispositifs d'organes sur puce. La combinaison de modèles de cœur, de poumon et de cerveau pourrait potentiellement offrir une vision plus complète de la façon dont les réponses se déplacent dans le corps.
Ces technologies sont prometteuses, mais elles ne sont pas sans défis. Leur construction et leur fonctionnement nécessitent beaucoup de préparation et sont assez coûteux par rapport aux modèles animaux traditionnels. Les puces ne reproduisent pas non plus toute la complexité d'un organisme entier.
Nous nous concentrons sur les poumons pour l'instant en raison de leur rôle dans les échanges gazeux et de la façon dont la pression et les gaz dissous les affectent pendant la plongée. Le modèle pulmonaire semblait être le meilleur point de départ, mais si nos données nous orientent dans une autre direction, nous envisagerons volontiers d'explorer d'autres organes.
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Découvrez Wyatt Shield et ses recherches dans cette vidéo.
© Alert Diver – Q1 2025