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Mario Modena est un postdoc qui travaille au laboratoire de bio-ingénierie de l'ETH Zurich. S'il devait expliquer ses recherches sur la barrière hémato-encéphalique - la paroi qui protège notre système nerveux central des substances nocives présentes dans le sang - à un enfant de 11 ans, il dirait : «Cette paroi est importante, car elle empêche les méchants de pénétrer dans le cerveau.» Si le cerveau est endommagé ou malade, dit-il, des trous peuvent apparaître dans la paroi. Parfois, ces trous peuvent en fait être utiles, par exemple pour alimenter le cerveau en médicaments dont il a un besoin urgent. «Ce que nous essayons donc de comprendre, c'est comment maintenir cette paroi, la percer et la réparer.»
Cette paroi est également importante d'un point de vue médical, car de nombreuses maladies du système nerveux central sont liées à une lésion de la barrière hémato-encéphalique. Pour découvrir le fonctionnement de cette barrière, les scientifiques mènent souvent des expériences sur des animaux vivants. Outre le fait que ces expériences sont relativement coûteuses, les cellules animales peuvent ne fournir qu'une partie de l'image de ce qui se passe dans un corps humain. En outre, certains critiques remettent en question la validité fondamentale de l'expérimentation animale. Une alternative consiste à baser les expériences sur des cellules humaines cultivées en laboratoire.
La communication entre les cellules est largement négligée
Le problème de nombreux modèles in vitro est qu'ils recréent la barrière hémato-encéphalique de manière relativement simplifiée en utilisant des cellules de la paroi des vaisseaux sanguins (cellules endothéliales). Cette approche ne permet pas de représenter la structure complexe du système humain et ne tient pas compte, par exemple, de la communication entre les différents types de cellules. En outre, bon nombre de ces modèles sont statiques. En d'autres termes, les cellules flottent dans une suspension qui ne bouge pas, ce qui implique que le flux de fluide ou la contrainte de cisaillement auxquels les cellules sont exposées dans le corps ne sont pas pris en compte.
Il existe également des modèles in vitro dynamiques qui simulent les conditions d'écoulement dans le corps, mais le problème est que les pompes qu'ils requièrent rendent le dispositif expérimental plutôt compliqué. À tous ces défis s'ajoute le problème de la mesure : il est pratiquement impossible de prendre des images à haute résolution des modifications structurelles de la barrière hémato-encéphalique en temps réel tout en mesurant la résistance électrique de la barrière, qui reflètent toutes deux la compacité et l'étanchéité de la barrière.
Faire d'une pierre plusieurs coups
Si chacun de ces défis était un oiseau, la plateforme de Mario Modena serait la pierre proverbiale qui les tue tous d'un coup. Sous la direction d'Andreas Hierlemann, Mario Modena et ses collègues ont passé trois ans et demi à développer le modèle de barrière hémato-encéphalique 3D à microfluide ouvert.
Pour recréer la barrière, l'équipe de recherche a pris les types de cellules qui constituent naturellement la barrière hémato-encéphalique - cellules endothéliales microvasculaires, astrocytes humains et péricytes humains - et les a combinés au sein d'une même plateforme. «Cette stratégie nous a permis de reproduire presque entièrement la structure cellulaire 3D que l'on trouve dans le corps humain», explique Mario Modena. «Mais ce qui est vraiment exceptionnel, c'est que nous pouvons mesurer la perméabilité de la barrière tout en cartographiant simultanément les changements morphologiques de la barrière à l'aide de la microscopie time-lapse à haute résolution.» Pour faciliter ce double jeu, les chercheuses et chercheurs ont déposé des électrodes entièrement transparentes sur des lamelles de verre de part et d'autre de la barrière afin de mesurer sa perméabilité, qui se traduit par la résistance électrique à travers la barrière cellulaire. Les électrodes transparentes offrent un avantage décisif par rapport aux autres types d'électrodes, qui comprennent des films métalliques ou des structures filaires susceptibles d'interférer avec la détection optique et la microscopie à haute résolution.
«Sans augmenter la complexité»
Pour imiter la façon dont les fluides s'écoulent dans le corps, les chercheurs et chercheuses ont réalisé la plateforme microfluidique avec des réservoirs de fluides aux deux extrémités sur une sorte de balancier. La gravité a ensuite déclenché l'écoulement, qui, à son tour, a généré une force de cisaillement sur les cellules. Andreas Hierlemann explique l'avantage de cette configuration : «Comme nous n'utilisons aucune pompe, nous pouvons expérimenter simultanément plusieurs systèmes modèles, par exemple dans un incubateur, sans augmenter la complexité de la configuration.»
Dans une étude publiée récemment dans la revue Advanced Science, les chercheurs et chercheuses ont présenté et testé leur nouveau modèle in vitro de barrière hémato-encéphalique. Ils ont soumis la barrière à une privation d'oxygène et de glucose, comme cela se produit lorsqu'une personne subit un accident vasculaire cérébral. «Ces expériences nous ont permis de déclencher des changements rapides dans la barrière et de démontrer le potentiel de la plateforme», explique Mario Modena.
Une société pharmaceutique se montre déjà intéressée
Grâce à cette étude, Mario Modena et ses collègues ont pu faire plus que montrer que leur nouvelle plateforme est adaptée à la prise de mesures. Ils et elles ont également découvert que la résistance électrique de la barrière diminue avant même qu'elle ne subisse des changements morphologiques qui la rendent plus perméable. «Cette constatation pourrait s'avérer pertinente pour de futures recherches», déclare Mario Modena. L'équipe a également observé que dans les expériences de contrôle utilisant un modèle in vitro statique, la barrière était plus perméable que dans la nouvelle configuration dynamique. «Il est clair que la force de cisaillement, générée par l'écoulement par gravité, favorise la formation d'une couche barrière plus dense, ce qui confirme l'importance de l'écoulement pour les modèles in vitro représentatifs», explique Mario Modena.
Mario Modena et Andreas Hierlemann pensent que leur modèle facilitera la détection des molécules qui stabilisent la barrière, ainsi que la découverte de composés et de méthodes permettant de la franchir, ce qui serait utile pour le traitement des tumeurs cérébrales. Mais AndreasHierlemann fait remarquer que le modèle pourrait également changer le cours des futures recherches in vitro : «L'avantage de notre plateforme est qu'elle est très facile à adapter à d'autres modèles de cellules endothéliales, où la combinaison de mesures d'étanchéité de la barrière et de microscopie à haute résolution pourrait ouvrir la voie à de nouvelles recherches.» L'industrie a manifesté son intérêt pour ce nouveau modèle. Une société pharmaceutique est déjà en contact avec l'équipe de recherche.