Nouvelle chance pour la thérapie contre le cancer : un laboratoire miniature permet d'observer la formation de métastases

Ensemble, des chercheurs du Fraunhofer ITEM, du Fraunhofer IWS et de l'Université de Regensburg étudient la métastase des cellules tumorales dans des systèmes microphysiologiques. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS / Des chercheurs du Fraunhofer ITEM, du Fraunhofer IWS et de l'Université de Regensburg étudient conjointement la croissance des cellules tumorales dans des systèmes microphysiologiques. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Depuis plusieurs années, le Fraunhofer IWS développe des systèmes microphysiologiques de la taille d'une boîte de comprimés. Il est désormais possible de cultiver jusqu'à dix coupes de tissu sur un seul chip. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Pour découvrir comment les cellules cancéreuses se développent et se propagent dans le corps, les partenaires de recherche souhaitent à l'avenir simuler encore plus efficacement les conditions environnementales dans les microsystèmes. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Outre le cancer, d'autres maladies, telles que la fibrose, peuvent également être étudiées sur des sections de tissus dans des systèmes microphysiologiques. Des scientifiques du Fraunhofer IWS et du Fraunhofer ITEM travaillent ensemble sur ce sujet dans le cadre du projet FIBROPATHS. © minkus-images.de/Fraunhofer IWS

Chaque année, environ un demi-million de personnes en Allemagne contractent un cancer. Malgré l'existence de possibilités de traitement efficaces pour de nombreux types de cancer, de nombreuses questions sur le développement de la maladie restent sans réponse. Pourquoi une tumeur se forme-t-elle ? Quels facteurs favorisent la croissance des cellules cancéreuses ? Pourquoi les métastases se propagent-elles au fil du temps à d'autres organes ? Les modèles animaux principalement utilisés jusqu'à présent ne reproduisent que partiellement les processus réels dans le corps humain. L'institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des rayonnements IWS à Dresde a développé, en collaboration avec l'institut Fraunhofer pour la toxicologie et la médecine expérimentale ITEM à Hanovre ainsi que l'université de Ratisbonne, des microsystèmes spéciaux. Ceux-ci examinent désormais des coupes de tissus tumoraux dans des conditions proches de la réalité.

Les systèmes physiologiques miniatures, de la taille d'une boîte de comprimés, que le Fraunhofer IWS développe avec succès depuis plusieurs années. Ils permettent de représenter artificiellement les fonctions d'organes ou les processus pathologiques à l'aide de cultures cellulaires, d'étudier les maladies en dehors de l'organisme, c'est-à-dire ex vivo, et de tester des médicaments. »Nous superposons plusieurs couches de film plastique pour cela«, explique Stephan Behrens, ingénieur de développement au Fraunhofer IWS. La première étape consiste à utiliser des lasers pour structurer ces couches. Des canaux et des chambres, des pompes et des valves sont créés. Cela permet de modéliser certains processus du corps humain. Dans ces systèmes physiologiques miniatures, un liquide semblable au sang circule, 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 ces systèmes.

Sur cette base, le professeur Christoph Klein, titulaire de la chaire de médecine expérimentale et de thérapies à l'université de Ratisbonne et responsable du secteur de la thérapie tumorale personnalisée à l'ITEM, a approché le Fraunhofer IWS. En collaboration avec l'université d'Erlangen-Nuremberg, la Deutsche Forschungsgemeinschaft a accordé en 2020 un fonds de recherche spécial aux chercheurs de Ratisbonne. Son objectif est de découvrir précisément comment les métastases colonisent les organes.

Interaction entre la tumeur et le système immunitaire sur une puce

« Pour pouvoir étudier cela, il était essentiel pour nous d'intégrer plusieurs coupes de tissus tumoraux dans notre système physiologique miniature », explique Florian Schmieder, chef de groupe au Fraunhofer IWS. C'est la première fois au monde que cela est réalisé dans ce projet. Jusqu'à dix coupes de tissu peuvent désormais être cultivées simultanément sur une seule puce. L'équipe du Fraunhofer IWS a également créé des ouvertures permettant de prélever des échantillons à tout moment pour analyse. « De plus, des paramètres importants tels que la teneur en CO2, le pH ou la concentration en oxygène peuvent être mesurés en continu », poursuit Schmieder. « Les capteurs utilisés pour cela mesurent directement dans le système physiologique miniature et peuvent être réutilisés pour d'autres études. »

Les experts de l'ITEM du Fraunhofer ont apporté leur savoir concernant les coupes de tissu. Ils utilisent pour cela des coupes très fines de tissus pulmonaires, explique le professeur Armin Braun, responsable du secteur pharmacologie clinique et toxicologie à l'ITEM. « Lors de l'opération d'un patient atteint d'une tumeur pulmonaire, non seulement la tumeur elle-même est prélevée, mais aussi du tissu sain. » Un vibratom équipé d'une lame oscillante produit à partir de ces échantillons des lamelles ultra-fines d'une épaisseur de 350 micromètres et d'un diamètre d'environ un centimètre. Ces lamelles restent bien alimentées en nutriments. Placées sur la puce, les coupes de tissu restent vitales et fonctionnelles dans le système physiologique miniature pendant une période prolongée. « Nous pouvons ainsi observer l'interaction du système immunitaire humain avec la tumeur », ajoute Braun. Toutes les cellules immunitaires pertinentes sont déjà présentes dans la coupe. « Nous sommes ainsi très proches du système réel, beaucoup plus que ce qui serait possible avec des modèles animaux. »

Utiliser ces systèmes pour étudier d'autres maladies

Comment le cancer évolue-t-il précisément et comment se propage-t-il dans le corps ? Un point important : le métabolisme de la tumeur diffère de celui des tissus normaux. « Pour les médecins, il est crucial d'étudier dans quelles conditions un organe attire les métastases », explique Florian Schmieder. La concentration élevée en oxygène et le pH jouent un rôle déterminant. Les chercheurs du Fraunhofer IWS souhaitent ajuster encore plus efficacement ces conditions environnementales dans les microsystèmes à l'avenir. « Jusqu'à présent, nous pouvons par exemple modifier le taux d'oxygène dans l'ensemble du système », explique-t-il. La prochaine étape consiste à permettre différentes concentrations d'oxygène sur une seule puce pour observer la réaction des cellules tumorales et des métastases à ces variations.

Il serait idéal de pouvoir combiner plusieurs types de tissus d'un même patient. « Cependant, de telles échantillons sont extrêmement rares dans la réalité », souligne Schmieder. Il est néanmoins possible de rassembler dans le système des échantillons de sang et de tissus du même patient. Combinée aux différents capteurs, cette approche offre une valeur ajoutée qui n'est pas encore accessible par d'autres méthodes. La technologie pourrait ainsi également servir d'alternative valable aux expérimentations animales traditionnelles. Cependant, la recherche ne peut pas encore se passer totalement de modèles animaux pour le moment.

Par ailleurs, l'équipe de 15 personnes du Fraunhofer IWS travaille également sur des projets visant à tester l'utilisation de coupes de tissu pour d'autres maladies. Un exemple est la fibrose. Dans ce cas, une réaction modifiée du système immunitaire entraîne un durcissement pathologique du tissu, qui 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 FIBROPATHS du Fraunhofer », explique Schmieder. Il faut déterminer quels systèmes spécifiques chaque tissu nécessite dans le mini-laboratoire pour pouvoir le cultiver plus longtemps.

Nouvelles thérapies possibles pour les patients atteints de cancer

Les résultats jusqu'à présent concernant l'étude de la croissance tumorale et de la formation de métastases à l'aide des systèmes physiologiques miniatures sont positifs pour le professeur Christoph Klein. « Lorsqu'il s'agit d'étudier des maladies, c'est une nouvelle possibilité très intéressante qui s'offre à nous », déclare le médecin. « Comprendre en détail la métastase est une clé pour de nouvelles thérapies qui pourraient empêcher la formation ultérieure de métastases dans le corps des patients atteints de cancer. »

Florian Schmieder voit un grand potentiel dans cette technologie pour l'avenir : « Nous rendons nos systèmes de plus en plus modulaires. » Différents modules pourront à l'avenir être combinés de nouvelles façons pour répondre à une grande variété de questions scientifiques.