Remplacement des essais sur les animaux – maintenant sans souffrance animale

Chercheurs sur l'imprimante biologique

Une souris n'est pas un humain. Cette réalité rend la recherche biomédicale si difficile pour transférer les connaissances issues des expérimentations animales à nous. C'est pourquoi les scientifiques travaillent sur des méthodes de remplacement pour les expérimentations animales, qui, dans l'idéal, se passent complètement de matériaux d'origine animale. Cela réjouit aussi la souris.

Impression 3D de modèles tissulaires

Les chercheurs et chercheuses de la TU Berlin ont, pour la première fois, créé un modèle du foie à partir de cellules humaines grâce à l'impression 3D de biomatériaux, sans avoir recours à des matériaux d'origine animale. Ce succès constitue une étape importante vers la recherche biomédicale et l'enseignement, qui s'appuient entièrement sur des méthodes sans souffrance animale. Jusqu'à présent, même les méthodes de substitution pour les expérimentations animales utilisaient, par exemple, des solutions nutritives provenant des foetus de veaux. Et, entre autres, pour l'impression 3D de modèles d'organes, il fallait jusqu'ici des substances structurantes issues de tumeurs cultivées chez la souris. Outre ces aspects éthiques, une recherche biomédicale sans composants animaux améliore également la transférabilité de ses résultats à l'humain – ce qui laisse espérer des progrès plus rapides dans le développement de médicaments.

« En Allemagne, il est en principe interdit d'abattre des vaches enceintes », explique le Prof. Dr. Jens Kurreck, responsable du département de biochimie appliquée à la TU Berlin. Si une grossesse n'est pas détectée avant l'abattage, il est courant de prélever du sang dans le foetus. Car celui-ci contient de nombreux substances qui stimulent la croissance et sont donc idéales pour la multiplication cellulaire en recherche biologique. Le « sérum foetal de veau » obtenu à partir du sang est un produit standard dans tous les laboratoires de culture cellulaire.

Probablement plus de deux millions de foetus de veaux par an

« Il n'existe que des estimations approximatives concernant le nombre de veaux nécessaires à cet usage. Une publication de 2021 évoque deux millions dans le monde, et la consommation de sérum foetal de veau a plutôt augmenté depuis », indique Kurreck. La majorité provient d'abattages hors de l'UE et est donc difficilement contrôlable par des institutions allemandes ou européennes. « Parce que le sérum de veau est très adapté à la culture de cellules, il est naturellement aussi utilisé par les chercheurs qui veulent remplacer les expérimentations animales par des cultures cellulaires. Donc, jusqu'à récemment, aussi par nous. »

Souris avec des tumeurs représentant un cinquième de leur poids corporel

Étant donné que le groupe de Jens Kurreck utilise des procédés d'impression 3D de biomatériaux particulièrement prometteurs pour la fabrication de modèles d'organes en remplacement des expérimentations animales, les chercheurs ont jusqu'ici dû recourir à un second produit animal, provenant d'animaux spécialement élevés à cet effet. « Grâce à l'impression 3D, nous pouvons créer à partir de cellules humaines de petits modèles d'organes en trois dimensions, qui peuvent même contenir des vaisseaux sanguins artificiels. Pour cela, nous avons besoin de substances comme la laminine et le collagène, qui donnent à ces structures la rigidité nécessaire, supérieure à celle des cultures cellulaires classiques », explique le chercheur. Ces substances se trouvent en haute concentration dans une forme spécifique de la matrice extracellulaire, qui entoure en réseau les cellules dans le corps humain et animal, et facilite leur contact.

Cette substance, désignée par l'acronyme BME (pour « Basement Membrane Extract »), est extraite de tumeurs cultivées chez la souris. « À la fin, une tumeur pèse environ quatre grammes, pour un corps de souris d'environ vingt grammes. On voit donc d'emblée que cette méthode cause une perturbation non négligeable à l'animal. » Comme les substances structurantes issues du BME sont également utilisées couramment dans d'autres laboratoires de culture cellulaire pour diverses applications, le nombre d'animaux nécessaires à leur production doit probablement atteindre plusieurs milliers, selon Jens Kurreck.

Les composants animaux rendent la recherche moins fiable

Les cellules humaines, nourries avec du sérum de veau et stimulées pour leur multiplication, puis utilisées pour imprimer des modèles d'organes humains à partir de substances structurantes issues de tumeurs de souris : « En considérant ces étapes de production, on réalise qu'il existe un potentiel d'erreur si l'on veut déduire des expériences sur ces modèles d'organes ce qui se passe réellement dans le corps humain », explique Kurreck. Et ces modèles d'organes à partir de cellules humaines sont, en principe, déjà beaucoup plus prédictifs que les expérimentations animales pour une même problématique. Bien que des cellules tumorales humaines soient aussi introduites dans des animaux, celles-ci restent dans un tissu animal environnant et communiquent avec lui, ce qui complique considérablement la transférabilité des résultats à l'humain.

De plus, souligne Kurreck, la composition exacte de produits animaux comme le sérum foetal de veau varie toujours. On ne peut donc pas garantir que chaque lot stimule la croissance cellulaire de la même manière. « 90 % de tous les candidats médicaments prometteurs en laboratoire ou en expérimentation animale échouent finalement lors des essais cliniques chez l'humain, et même 97 % des candidats médicaments contre le cancer. Pour progresser, il faut viser à éliminer totalement les expérimentations animales et l'utilisation de substances animales auxiliaires. »

Milieux nutritifs et substances structurantes chimiquement définis à partir de sources humaines

Avec le premier modèle tissulaire du foie entièrement dépourvu de matériaux d'origine animale, le doctorant Ahmed Ali et d'autres membres du groupe de Jens Kurreck ont réussi une avancée majeure dans cette direction. Ils ont remplacé le sérum foetal de veau par un milieu nutritif chimiquement précisément défini, composé de facteurs de croissance, d'insuline, de sélénium, ainsi que de sucres et de sels. « Nous avons dû adapter ce milieu nutritif non seulement au type spécifique de cellules hépatiques humaines que nous utilisons, mais aussi faire en sorte que les cellules s'habituent lentement à ce nouvel environnement », raconte Kurreck. Les cellules de départ pour le début de l'expérience provenaient, bien sûr, d'une entreprise qui utilisait du sérum foetal de veau pour leur croissance.

En remplacement du mélange structurants BME issu des tumeurs de souris, les chercheurs ont utilisé du collagène humain extrait de placentas, qui auraient autrement été éliminés comme déchets dans des hôpitaux viennois après des naissances. « Ce qui paraît simple en théorie a nécessité un processus d'ajustement complexe, impliquant beaucoup d'expérimentations et une recherche bibliographique approfondie », explique Jens Kurreck. Par exemple, les boîtes de culture en plastique, dans lesquelles les cellules ont été cultivées, ont dû être recouvertes de collagène humain provenant de placentas pour assurer une adhérence comparable à celle des méthodes classiques.

Résultats des tests confirmant la validité de la méthode sans souffrance animale

Pour tester leur nouveau modèle de foie sans souffrance animale, les chercheurs l'ont exposé à la toxine okadaïque, produite par des algues, qui s'accumule dans les moules et peut provoquer de graves intoxications alimentaires. Il a été constaté que des structures cellulaires imprimées en deux dimensions présentaient la même sensibilité à cette toxine, qu'elles aient été cultivées et imprimées avec les anciennes substances d'origine animale ou avec les nouvelles substances sans origine animale. Un modèle tissulaire tridimensionnel du foie montrait également la sensibilité attendue dans ce cas précis.

Transfert en pratique par une approche interdisciplinaire

Les scientifiques impliqués sont optimistes quant à la rapide intégration de leur nouvelle méthode sans souffrance animale dans la pratique et sa large utilisation. En effet, Albert Braeuning, de l'Institut fédéral d'évaluation des risques (BfR), en tant qu'autorité nationale pour la sécurité alimentaire, a non seulement été un utilisateur potentiel de la méthode et a participé à la publication actuelle. De plus, le département de biotechnologie alimentaire et de procédés de la TU Berlin, dirigé par le Prof. Dr. Cornelia Rauh, a contribué à l'étude en mesurant les paramètres mécaniques de la nouvelle encre d'impression 3D. Ces chercheurs collaborent également avec le groupe de Jens Kurreck sur la viande cultivée pour l'alimentation humaine, qui nécessite aussi des méthodes de culture sans sérum foetal de veau. Une optimisation future de la méthode sans souffrance animale est envisagée en partenariat avec le département de bio-processus de la TU Berlin, dirigé par le Prof. Dr. Peter Neubauer. Par exemple, dans l'avenir, les collagènes humains pourraient être produits en quantités suffisantes par des levures, voire directement à partir de cultures cellulaires humaines.