Mario Modena est write-up-doctorant au laboratoire de bioingénierie de l’ETH Zurich. S’il devait expliquer ses recherches sur la barrière hémato-encéphalique — la paroi qui protège notre système nerveux central des substances nocives dans le sang — à un enfant de 11 ans, il dirait : « Cette paroi est importante, parce que ça empêche les méchants d’entrer dans le cerveau.” Si le cerveau est endommagé ou malade, dit-il, des trous peuvent apparaître dans le mur. Parfois, de tels trous peuvent en fait être utiles, par exemple, pour fournir au cerveau les médicaments dont il a besoin de toute urgence. “Donc, ce que nous essayons de comprendre, c’est comment entretenir ce mur, le percer et le réparer à nouveau.”
Cette paroi est également importante d’un stage de vue médical, motor vehicle de nombreuses maladies du système nerveux central sont liées à une atteinte de la barrière hémato-encéphalique. Pour découvrir comment fonctionne cette barrière, les scientifiques mènent souvent des expériences sur des animaux vivants. Outre le fait que ces expériences sont relativement coûteuses, les cellules animales ne peuvent fournir qu’une partie de l’image de ce qui se passe dans le corps humain. De furthermore, certains critiques remettent en query la validité fondamentale des assessments sur les animaux. Une different consiste à baser les expériences sur des cellules humaines cultivées en laboratoire.
La conversation cellule-cellule largement négligée
Le problème avec de nombreux modèles in vitro est qu’ils recréent la barrière hémato-encéphalique de manière relativement simplifiée en utilisant des cellules de la paroi des vaisseaux sanguins (cellules endothéliales). Cette approche ne parvient pas à représenter la construction complexe du système humain et ne tient pas compte, par exemple, de la interaction entre les différents kinds de cellules. De as well as, bon nombre de ces modèles sont statiques. En d’autres termes, les cellules flottent dans une suspension qui ne bouge pas, ce qui implique que le flux de fluide ou la contrainte de cisaillement auxquels les cellules sont exposées dans le corps ne sont pas pris en compte.
Il existe également des modèles dynamiques in vitro qui simulent les situations d’écoulement dans le corps, mais le problème ici est que les pompes dont ils ont besoin rendent la configuration expérimentale assez compliquée. A côté de tous ces défis, il y a le problème de la mesure : il est pratiquement extremely hard de prendre des illustrations or photos haute résolution des changements structurels de la barrière hémato-encéphalique en temps réel tout en mesurant la résistance électrique de la barrière, qui reflètent à la fois la compacité de la barrière et étanchéité.
Faire d’une pierre plusieurs oiseaux
Si chacun de ces défis était un oiseau, la plate-forme de Modène serait la pierre proverbiale qui les tue tous. Sous la direction d’Andreas Hierlemann, Modena et ses collègues ont passé trois ans et demi à développer le modèle de barrière hémato-encéphalique 3D à microfluidique ouvert.
Pour recréer la barrière, l’équipe de recherche a pris ces forms de cellules qui composent naturellement la barrière hémato-encéphalique – cellules endothéliales microvasculaires, astrocytes humains et péricytes humains – et les a combinés au sein d’une seule plateforme. “Cette stratégie nous a permis de reproduire presque entièrement la structure cellulaire 3D trouvée dans le corps humain”, explique Modena. “Mais ce qui est vraiment exceptionnel, c’est que nous pouvons mesurer la perméabilité de la barrière tout en cartographiant simultanément les changements morphologiques de la barrière au moyen d’une microscopie accélérée à haute résolution.” Pour faciliter ce double acte, les chercheurs ont déposé des électrodes entièrement transparentes sur des lamelles de verre de portion et d’autre de la barrière pour mesurer sa perméabilité, qui se traduit par la résistance électrique à travers la barrière cellulaire. Les électrodes transparentes offrent un avantage décisif par rapport aux autres styles d’électrodes, qui comprennent des movies métalliques ou des buildings de fil qui peuvent interférer avec la détection optique et la microscopie à haute résolution.
“Sans augmenter la complexité”
Pour imiter la façon dont le fluide s’écoule dans le corps, les chercheurs ont réalisé la plateforme microfluidique avec des réservoirs de fluide aux deux extrémités sur une sorte de bascule. La gravité a alors déclenché le flux, qui – à son tour – a généré une pressure de cisaillement sur les cellules. Hierlemann explique l’avantage de cette configuration : “Puisque nous n’utilisons aucune pompe, nous pouvons expérimenter simultanément plusieurs systèmes modèles, par exemple dans un incubateur, sans augmenter la complexité de la configuration.”
Dans une étude publiée récemment dans la revue Superior Science, les chercheurs ont présenté et testé leur nouveau modèle de barrière hémato-encéphalique in vitro. Ils ont soumis la barrière à une privation d’oxygène-glucose, comme cela se produit lorsque quelqu’un fait un accident vasculaire cérébral. “Ces expériences nous ont permis de déclencher des changements rapides dans la barrière et de démontrer le potentiel de la plate-forme”, explique Modena.
Grâce à cette étude, Modena et ses collègues ont pu faire plus que montrer que leur nouvelle plate-forme est adaptée à la prise de mesures. Ils ont également découvert que la résistance électrique de la barrière diminue avant même qu’elle ne subisse des changements morphologiques qui la rendent moreover perméable. “Cette découverte pourrait s’avérer pertinente pour de futures recherches”, déclare Modena. L’équipe a également observé que dans les expériences de contrôle utilisant un modèle in vitro statique, la barrière était in addition perméable que dans la nouvelle configuration dynamique. “Il est clair que la drive de cisaillement, générée par l’écoulement gravitaire, favorise la development d’une couche barrière plus dense, ce qui confirme l’importance de l’écoulement pour les modèles in vitro représentatifs”, déclare Modena.
Modena et Hierlemann pensent que leur modèle permettra de détecter furthermore facilement quelles molécules stabilisent la barrière, ainsi que de découvrir des composés et des méthodes aptes à la franchir, qui seraient utiles dans le traitement des tumeurs cérébrales. Mais Hierlemann notice que le modèle pourrait également changer le cours de la long term recherche in vitro : “L’avantage de notre plate-forme est qu’elle est très facile à adapter à d’autres modèles de cellules endothéliales, où une combinaison de mesures d’étanchéité et de haute résolution la microscopie pourrait ouvrir la voie à de nouvelles recherches.” L’industrie a manifesté son intérêt pour le nouveau modèle. Une société pharmaceutique est déjà en contact avec les chercheurs.