Bioreaktoren et technologies cryogéniques pour de meilleurs tests de médicaments avec des cultures cellulaires humaines

Cryoconservation sans glace (vitrification) des systèmes cellulaires adhérents dans le format multi-puits de l'« essai R2U-Tox ». © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Divers systèmes de bioreacteurs pour la culture de cellules souches pluripotentes induites (iPSCs) sur des microporteurs. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Various bioreactor systems for cultivating induced pluripotent stem cells (iPSCs) on microcarriers. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Dépistage pharmacologique et toxicologique in vitro sur des cellules neuronales. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Dépistage pharmacologique et toxicologique in vitro impliquant des cellules neuronales. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

De nombreuses nouvelles découvertes de principes actifs médicaux échouent, car malgré des tests en laboratoire réussis avec des cultures cellulaires, de fortes réactions secondaires apparaissent chez les sujets d'essai. Cela peut se produire, par exemple, lorsque les cellules utilisées proviennent de tissus animaux. Des cultures cellulaires spécialement préparées à partir de tissus humains, appelées cellules hiPS, permettent des tests plus fiables et augmentent ainsi le taux de réussite dans la procédure d'approbation. Des chercheurs du Fraunhofer ont développé des solutions innovantes pour la fabrication optimisée de cellules dans un bioreacteur et des techniques cryogéniques uniques. Cela ouvre la voie à une utilisation efficace et pratique des cultures cellulaires dans les tests de toxicité et de principes actifs.

Lorsque des effets secondaires graves apparaissent lors des études pharmaceutiques lors du test de nouveaux principes actifs, les chercheurs sont confrontés à un dilemme. Souvent, le développement d'un principe actif prometteur doit alors être abandonné et le médicament prévu ne sera pas commercialisé. Une cause du problème est que les principes actifs sont généralement testés à l'aide de modèles de cultures cellulaires in vitro basés sur des cellules animales ou dans le cadre d'expériences sur des animaux. Dans les deux cas, il est difficile de transférer les résultats des tests à l'humain. Il existe donc un risque que des effets secondaires intolérables apparaissent soudainement chez les sujets d'essai.

La recherche médicale mise beaucoup sur les cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPS). Ces cellules proviennent de tissus humains et permettent donc des affirmations beaucoup plus précises sur le mode d'action des substances que les tests classiques. On extrait d'abord les cellules du tissu cutané humain ou d'un échantillon de sang, puis on les soumet à un procédé de reprogrammation spécifique en laboratoire. Ensuite, elles ne sont plus fixées à un tissu particulier, d'où le terme de cellules souches pluripotentes. Pour les tests de principes actifs, les cellules hiPS peuvent ensuite être différenciées en presque tous les types cellulaires du corps humain. Le risque que des effets secondaires indésirables apparaissent lors des essais cliniques ultérieurs chez l'humain diminue considérablement.

Bioreacteur pour la production cellulaire à grande échelle

Les cellules nécessaires aux tests sont produites dans des bioreacteurs. Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Julia Neubauer, responsable du département de cryo- et de technologies des cellules souches à l'Institut Fraunhofer pour la technologie biomédicale IBMT, a récemment réalisé une avancée décisive dans la multiplication et la différenciation des cellules hiPS dans le bioreacteur. « Il est désormais possible pour la première fois de faire évoluer le processus à une telle échelle qu'une grande quantité de cellules fonctionnelles peut être produite en peu de temps », explique Neubauer.

Le défi pour les chercheurs du Fraunhofer dans le projet commun « R2U-Tox-Assay » consistait à déterminer comment reproduire au mieux dans le bioreacteur les conditions environnementales naturelles du corps humain, afin que les cellules se multiplient rapidement sans perdre leur capacité fonctionnelle. « Nous avons spécialement développé et fabriqué un hydrogel élastique comme support pour cela. Les cellules s'y sentent particulièrement bien et peuvent se multiplier efficacement. Avec les paramètres choisis, nous sommes en mesure de produire des quantités pertinentes pour les tests médicaux, allant jusqu'à plusieurs milliards de cellules », explique Neubauer.

Avec ces modèles cellulaires, qui peuvent être différenciés en tissus tels que le muscle cardiaque, la peau ou les cellules nerveuses, il est possible d'équiper les tests pour l'évaluation et la vérification de la toxicité des principes actifs médicaux. Un autre avantage : étant donné que les cellules hiPS sont humaines et contiennent encore l'information génomique du donneur, il est également possible de mettre en place des tests pour des maladies génétiques spécifiques.

Refroidissement instantané dans un cryotank

Un autre problème pour la recherche pharmaceutique ou les cliniques universitaires concerne le stockage et la disponibilité des cultures cellulaires. Les chercheurs du Fraunhofer ont mis à profit leur expertise de plusieurs décennies en cryoconservation cellulaire.

La cryoconservation à l'IBMT est unique au monde. Les modèles cellulaires cultivés dans le bioreacteur sont refroidis à l'aide d'azote liquide en seulement deux secondes, passant d'environ +23°C à -196°C. De plus, les chercheurs du Fraunhofer ont développé une plaque de culture cellulaire spéciale, dans laquelle les cellules sont d'abord cultivées, puis congelées. En combinaison avec le processus de refroidissement rapide, des milieux de congélation spéciaux empêchent la formation de cristaux de glace dans le tissu cellulaire. Ceux-ci endommageraient le matériel et le transformeraient en bouillie. « Tout le monde connaît cet effet désagréable lorsqu'on met des fraises dans le congélateur », sourit Neubauer.

Pour décrire la procédure correcte, l'experte du Fraunhofer Neubauer et son équipe ont élaboré un protocole cryogénique détaillé. Il définit des paramètres tels que la vitesse de refroidissement et les temps d'action des milieux de congélation pour chaque type de cellule à conserver. Ce protocole garantit que les cultures cellulaires humaines sensibles restent pleinement fonctionnelles après leur retrait du cryotank et leur décongélation. Dans ces plaques de culture standardisées, les cultures cellulaires peuvent être stockées et transportées presque indéfiniment pour les screenings à haut débit en recherche pharmaceutique. Les cliniques et laboratoires pharmaceutiques peuvent stocker des cultures cellulaires et disposer à tout moment des cellules adaptées pour les tests de toxicité et d'efficacité.

Meilleurs tests de principes actifs pour de nouveaux médicaments

Avec les concepts améliorés pour le bioreacteur et le cryotank, la voie est ouverte à une utilisation efficace et pratique des cellules hiPS dans la recherche médicale. Les tests classiques in vitro avec des cellules animales ainsi que les expérimentations sur les animaux, souvent contestées d’un point de vue éthique, seront remplacés par des systèmes de test beaucoup plus précis. « Dans l’ensemble, les avancées du projet « R2U-Tox-Assay » permettent un développement plus efficace et plus sûr des principes actifs médicaux pour traiter une série de maladies, notamment les maladies cardiaques, oculaires ou même les déficits neurologiques comme la démence », promet Neubauer.

Ce projet collaboratif récemment achevé impliquait, aux côtés du Fraunhofer IBMT, l'entreprise Janssen Pharmaceutica N.V. et l'Institut de bioingénierie de la Catalogne. Le projet a été financé dans le cadre de la grande initiative européenne EIT Health.