Les mini-organes font naître les premières start-up médicales
Le fonctionnement de petits amas cellulaires ressemble étonnamment à celui d’organes entiers. Ces «organoïdes» ouvrent de nouvelles perspectives en biologie, médecine personnalisée et développement de médicaments – avec moins d’essais sur les animaux.
De petites sphères cellulaires avec lesquelles on peut mener de nombreuses expériences en parallèle grandissent dans des gouttes d'un liquide gélatineux. | Infographie: Janine Wiget
1. La recette pour des billes cellulaires réussies
Comme tant de grandes découvertes scientifiques, tout a débuté par l’échec d’une expérience. En 2010, Madeline Lancaster cultive des cellules souches issues d’un cerveau de souris dans une boîte de Petri. Quand elle revient au laboratoire le lendemain, la postdoc ne retrouve qu’un liquide laiteux, signe de la présence de cellules mortes, racontera-t-elle dans le podcast Radiolab. Or, l’examen au microscope révèle quelque chose de surprenant: des cellules se sont amalgamées en de petites boules. Et au fil des jours, leur structure rappelle toujours plus celle du cerveau.
Depuis, de telles petites sphères cellulaires se retrouvent dans des laboratoires du monde entier. Il ne s’agit pas seulement de créer des mini-cerveaux, mais aussi de concevoir des versions d’organes tels que le foie, les poumons, les reins, l’intestin ou encore la rétine.
Remplacer les tests de toxicité sur les souris
Les entreprises pharmaceutiques doivent prêter attention aux effets secondaires dès les premières phases de développement d’un nouveau médicament afin d’être en mesure d’apporter d’éventuelles modifications. L’entreprise Insphero mise sur les organoïdes hépatiques qui peuvent mettre en évidence les effets toxiques des substances. L’agence américaine de régulation des médicaments, la FDA, accepte partiellement de tels tests lors des évaluations faites pour autoriser des études chez l’humain. Jusqu’à présent, ces tests devaient préalablement être effectués sur des animaux. Les organoïdes seront peut-être acceptés de manière plus étendue dans un avenir proche. «Lors d’un test portant sur quelque 150 médicaments déjà autorisés, notre système a identifié huit des dix substances qui avaient dû être retirées du marché ultérieurement en raison d’effets secondaires», relève Olivier Frey.
Le potentiel de ces organoïdes pour la recherche fondamentale est immense, car ces structures tridimensionnelles reproduisent bien mieux la réalité du corps que les cultures cellulaires planes traditionnelles. Comme de vrais organes, elles comportent différents types de cellules qui communiquent entre elles et s’organisent en structures ordonnées. Ainsi, un organoïde cardiaque est doté de minuscules cavités à l’intérieur et bat au même rythme qu’un cœur réel. A partir des organoïdes intestinaux se développent de petites excroissances à leur surface dont la structure est identique à celle des villosités de l’intestin grêle, par lesquelles sont absorbés les nutriments. Et les cellules nerveuses des organoïdes cérébraux s’envoient mutuellement des signaux électriques.
1) A partir de biopsies humaines ou d'animaux de laboratoire, les scientifiques obtiennent du tissu à partir duquel ils produisent des organoïdes. Pour ce faire, ils dissolvent le tissu et le décomposent en ses composants. | Illustrations: Janine Wiget
2) Dans une goutte de liquide gélatineux, les cellules croissent et forment un amas.
3) Par l'ajout de molécules de signalisation, les scientifiques donnent les bonnes instructions à l'amas cellulaire. Les cellules commencent à s'organiser et à se spécialiser, formant ainsi une sphère creuse qui peut aussi prendre d'autres formes plus complexes: l'organoïde.
4) Les scientifiques réalisent ensuite leurs expériences à partir de ces organoïdes. Ils peuvent par exemple observer au microscope les cellules marquées par des colorants.
Fabriquer un organoïde exige de suivre une recette minutieuse et adaptée au produit souhaité. «D’une part, cela demande beaucoup d’efforts et d’expérience et, de l’autre, c’est aussi un peu un art, note Olivier Frey, vice-président d’Insphero, spin-off de l’ETH Zurich qui commercialise des organoïdes hépatiques et intestinaux. L’objectif est qu’ils reproduisent le mieux possible le fonctionnement de l’organe d’origine.»
Ces mini-organes peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux de base: les scientifiques partent souvent de cellules souches, capables de se différencier dans des types cellulaires variés. Une des méthodes permet depuis une vingtaine d’années d’en produire à partir de tissus conjonctifs, par exemple. Une autre approche consiste à créer un organoïde à partir d’échantillons de tissus prélevés lors d’une biopsie.
A cette fin, les scientifiques introduisent souvent les cellules dans une goutte d’un liquide gélatineux. Celui-ci contient des substances qui forment une sorte d’échafaudage qui déclenche la formation de grappes cellulaires. Un mélange de nutriments et de facteurs de signalisation détermine si elles vont donner naissance à un mini-foie ou à un mini-pancréas.
Le processus, qui va de la cellule isolée à un organoïde structuré d’une taille de quelques millimètres, peut s’étendre sur plusieurs semaines, voire plusieurs mois, pendant lesquels il faut nourrir la structure avec soin et la surveiller.
2. Premiers pas vers la médecine
Avant l’arrivée des organoïdes, la recherche était limitée, d’une part, parce qu’elle ne pouvait pas être menée directement chez l’être humain et, d’autre part, parce que les cultures cellulaires traditionnelles – de fines couches adhérant au fond des boîtes de Petri – ne reproduisent pas bien les conditions réelles du corps. Les scientifiques recourent ainsi souvent à des expériences sur des animaux génétiquement modifiés, notamment des souris, dont les tableaux cliniques sont similaires à ceux qu’on observe chez l’être humain.
Comparer des cerveaux malades et sains
Environ la moitié du cerveau se compose de cellules gliales qui alimentent les neurones notamment en énergie. Gliapharm, un spin-off de l’EPFL, reproduit ce processus dans des organoïdes composés de cellules nerveuses entourées de cellules de soutien. Il a ainsi été testé un principe actif pour traiter une maladie génétique rare – le syndrome du déficit en Glut1 – dans laquelle un manque d’énergie entraîne des crises d’épilepsie. Pour cela, il a fallu comparer l’activité électrique d’organoïdes cultivés à partir de cellules de personnes malades et d’autres en bonne santé. Selon Charles Finsterwald, le cofondateur du spin-off, ce principe actif permettrait peut-être aussi de soulager des maladies telles que Alzheimer ou la dépression, dans lesquelles l’approvisionnement en énergie peut également être altéré.
«Il m’a toujours beaucoup importé de mener des recherches sur un système humain», note Ralph Müller. Professeur de biomécanique à l’ETH Zurich, il s’intéresse à la formation et à la dégradation des os, par exemple dans l’ostéoporose. Son équipe a réussi à reproduire une partie de ces processus à l’aide d’organoïdes osseux humains. Elle imprime des grilles composées d’un gel contenant des précurseurs de cellules osseuses.
Les cellules osseuses reçoivent des nutriments, notamment des minéraux. Les grilles sont de plus légèrement comprimées pendant quelques minutes trois fois par semaine. Cela simule les contraintes mécaniques nécessaires à l’ossification. «Après environ quatre semaines, nous obtenons une structure bien minéralisée et colonisée par des cellules vivantes qui communiquent entre elles. Cela prendrait trois ans chez l’être humain», explique le chercheur.
Ralph Müller utilise ces organoïdes osseux dans des travaux de recherche fondamentale en biologie. Ceux-ci ont mené à la création du spin-off Compagos, qui veut employer ces organoïdes en médecine: pour l’élaboration de nouveaux médicaments contre la maladie des os de verre, pour le diagnostic de métastases dans le cancer des os et pour, peut-être, pouvoir accélérer un jour la régénération des os endommagés.
L’entreprise n’est pas la seule à explorer de telles pistes. De nombreuses start-up, mais aussi les grands laboratoires pharmaceutiques, investissent désormais dans cette nouvelle technologie. Les organoïdes sont ainsi déjà utilisés pour la présélection de nouveaux principes actifs, les tests toxicologiques et les thérapies personnalisées.
On espère également que ces micro-organes pourront un jour révolutionner la médecine de transplantation. A partir de cellules prélevées chez des personnes malades, il pourrait être envisageable de cultiver des tissus de substitution génétiquement identiques pour les organes. Cela réduirait le risque de rejet par l’organisme. Quelques premiers pas dans cette direction ont été faits pour les îlots pancréatiques altérés par le diabète, dont la forme naturelle ressemble à un organoïde.
3. Automatiser, standardiser, industrialiser
«L’apparition d’une technologie disruptive s’accompagne toujours d’un développement fulgurant, surtout dans la recherche. Vient ensuite la transition vers des applications industrielles», explique Gilles Weder, responsable des sciences de la vie au centre d’innovation technologique CSEM, sis à Neuchâtel et à Allschwil (BL). Son équipe collabore avec de nombreuses entreprises pour faire progresser l’utilisation des organoïdes.
Il s’agit notamment de développer des systèmes automatisés capables de cultiver et d’entretenir de nombreux organoïdes – des tâches qui prennent énormément de temps lorsqu’elles sont effectuées manuellement. Des robots de pipetage peuvent alimenter en nutriments des centaines d’organoïdes cultivés dans des plaques comportant de nombreux puits.
Traitement personnalisé du cancer
Chaque tumeur étant différente, le défi est de trouver le traitement le mieux adapté à chaque personne touchée. Les organoïdes peuvent déjà contribuer à petite échelle, selon Mohamed Bentires-Alj, un chercheur de l’Université de Bâle spécialisé dans le cancer du sein. Son équipe cultive des organoïdes tumoraux spécifiques à chaque patiente ou patient à partir de tissus prélevés lors d’une biopsie. Puis elle compare l’effet de différents médicaments sur la croissance et la survie des cultures. Cette approche pourrait permettre d’éviter un traitement peu efficace ainsi que ses effets secondaires aux malades. La méthode est encore limitée à des cas individuels graves: il manque des études à grande échelle qui prouvent formellement que les organoïdes tumoraux réagissent à un médicament exactement comme la vraie tumeur.
Visienco, une start-up du CSEM, a de plus mis au point un appareil qui détecte et trie rapidement les organoïdes qui ne se sont pas bien développés. Cela afin d’assurer que les cultures se trouvent bien au même stade de développement. Une telle standardisation est très importante pour des applications industrielles telles que des études toxicologiques ou l’analyse de l’efficacité de substances pharmaceutiques.
L’automatisation concerne également les tests menés directement sur les organoïdes, comme les mesures de l’activité électrique dans les organoïdes cérébraux, le comptage de cellules mortes ou la quantification de la fluorescence. De tels essais génèrent des volumes de données importants qu’il est souvent nécessaire d’analyser avec des techniques d’intelligence artificielle. Utiliser un jour des organoïdes pour réduire le nombre d’expérimentations animales exigera une normalisation renforcée des techniques et leur validation.
Mais pour cela, il faut que les organoïdes reproduisent encore mieux les organes réels. Et on y travaille: de nombreuses équipes de recherche travaillent sur des organoïdes capables de former des vaisseaux sanguins et d’intégrer des cellules immunitaires, afin de coller plus fidèlement au microenvironnement physiologique.
Sur une puce en plastique, des «organes sur puce» rassemblent différents types d’organoïdes cultivés dans des puits reliés par des microcanaux. De tels dispositifs peuvent notamment simuler l’échange de substances par le sang entre plusieurs organes. A cause de leur coût, des expériences avec de telles puces se font actuellement davantage dans la recherche que dans l’industrie, indique Olivier Frey.
Toutefois, un rapprochement très important avec les conditions physiologiques réelles pourrait aussi engendrer de nouveaux problèmes. Certaines personnes craignent par exemple que ces «mini-cerveaux» électriquement actifs puissent développer leur propre conscience, ce qui soulèverait de nouvelles questions éthiques. Ce risque est encore loin d’être d’actualité selon Gilles Weder: «Les organoïdes font certes preuve de capacités étonnantes. Ils ne disposent toutefois que d’un nombre limité de fonctions et sont encore loin d’atteindre la complexité des organismes vivants.»
