Poumon sur puce : une solution humaine pour tester la fonction pulmonaire et la toxicité

Les cellules alvéolaires humaines sur puce présentent des caractéristiques prometteuses, semblables à celles observées lors des études sur des animaux.

Les chercheurs utilisent de plus en plus des modèles qui utilisent des cellules vivantes en dehors des animaux pour étudier la fonction pulmonaire, la toxicité par inhalation, l’innocuité des médicaments et les mécanismes des maladies. Cependant, créer des modèles fiables de cellules alvéolaires¹, situées en profondeur dans les voies respiratoires, s’est avéré difficile.

Une percée a été réalisée par une équipe dirigée par Olivier Guenat, bénéficiaire d’un financement du 3RCC, au ARTORG Center² de Berne. Elle a réussi à combiner une lignée cellulaire alvéolaire humaine avec une technologie d’organe sur puce pour créer un modèle de poumon sur puce³. Ce modèle innovant imite l’environnement pulmonaire avec des caractéristiques telles que des mouvements semblables à ceux de la respiration et des membranes ultrafines, poreuses et élastiques. Publié dans le Journal of Frontiers in Toxicology, le modèle pulmonaire sur puce est très prometteur pour remplacer les modèles animaux dans l’étude de la fonction pulmonaire, des maladies et des traitements.

L’une des principales réalisations de ce modèle est de répondre à la nécessité d’une barrière épithéliale alvéolaire fonctionnelle, la couche qui sépare l’environnement externe de l’intérieur des poumons. Cette barrière protège non seulement contre les agents stressants et pathogènes de l’environnement, mais empêche également l’accumulation de liquide dans les poumons. En combinant la technologie des organes sur puce avec les cellules alvéolaires humaines, les chercheurs ont utilisé des techniques comme la cytométrie en flux (qui analyse les propriétés des cellules à l’aide de lasers) et l’analyse d’expression génique (qui évalue si les gènes sont activés ou désactivés en réponse à des stimuli) pour découvrir que les cellules ont mûri en cellules pulmonaires spécialisées que l’on trouve dans les alvéoles. Cette maturation a été renforcée par l’exposition à un cycle respiratoire qui étirait physiquement les cellules.

L’équipe a confirmé que le modèle cellulaire présentait des caractéristiques de cellules sensibles à l’infection par le SARS-CoV2, ce qui en fait un modèle utile pour étudier comment le virus infecte les poumons humains et tester des traitements potentiels, car il reflète de près les réactions réelles de l’humain face au virus. À l’aide de mesures de la résistance électrique trans-barrière (mesure utilisée pour évaluer la faculté des cellules à former une barrière), les chercheurs ont constaté que le modèle pulmonaire sur puce présentait une barrière alvéolaire étanche et fonctionnelle, qui pouvait être perturbée par des médicaments déclenchant une fibrose ou des stimuli inflammatoires. Ainsi, le modèle pulmonaire sur puce imite avec succès une barrière alvéolaire saine et intacte, qui est essentielle au bon fonctionnement pulmonaire. En montrant que cette barrière peut être rompue par des médicaments qui induisent une fibrose (cicatrisation pathologique) ou des réponses inflammatoires, le modèle devient un puissant outil pour étudier des maladies comme la fibrose pulmonaire ou le COVID-19, où la barrière pulmonaire est compromise. Les chercheurs peuvent utiliser ce modèle pour tester l’incidence de divers médicaments ou traitements sur la fonction pulmonaire, ce qui pourrait aider à mettre au point des thérapies pour protéger ou restaurer la barrière.

Ce nouveau modèle de poumon sur puce représente une avancée majeure dans le domaine, proposant une alternative fiable et éthique aux modèles animaux. Sa capacité à imiter l’environnement pulmonaire et à réagir aux traitements pharmacologiques souligne son potentiel dans l’avancement de nos connaissances sur la fonction pulmonaire, les mécanismes pathologiques et la recherche thérapeutique.

¹ Les cellules alvéolaires sont des cellules qui tapissent les alvéoles, qui sont de minuscules sacs d’air dans les poumons où se produit l’échange gazeux.

² ARTORG – Le Centre de Recherche en Ingénierie Biomédicale est un centre de recherche situé à Berne, en Suisse, réputé pour ses innovations dans le domaine des technologies de la santé.

³ Un modèle de poumon sur puce est une technologie de bioingénierie qui utilise la biologie cellulaire et l’ingénierie microfluidique pour créer un petit environnement dans lequel les cellules pulmonaires vivantes peuvent survivre et imiter les fonctions pulmonaires à l’extérieur du corps.

Auteurs: Christopher Cederroth, Jessica Lampe & Robbie I’Anson Price, Swiss 3R Competence Centre 

Référence: Sengupta A, Roldan N, Kiener M, Froment L, Raggi G, Imler T, de Maddalena L, Rapet Ã, May T, Carius P, Schneider-Daum N, Lehr C-M, Kruithof-de Julio M, Geiser T, Marti TM, Stucki JD, Hobi N et Guenat OT (2022). A New Immortalized Human Alveolar Epithelial Cell Model to Study Lung Injury and Toxicity on a Breathing Lung-On-Chip System. Front. Toxicol. 4:840606. https://doi.org/10.3389/ftox.2022.840606