Dépistage des drogues à l'aide de vaisseaux cérébraux artificiels
La méthode de dépistage simule l'effet de filtrage de la "barrière hémato-encéphalique".
Dans la revue "Biomaterials", des chercheurs du DZNE présentent une nouvelle méthode pour tester des agents chimiques qui pourraient contribuer au développement de médicaments contre les maladies neurodégénératives. Cette technique analytique permet d'étudier en laboratoire si les nouveaux candidats médicaments ont une chance réaliste d'atteindre le cerveau. Pour ce faire, une équipe dirigée par les docteurs Philip Denner et Eugenio Fava utilise des cellules souches humaines et des microcapillaires qui imitent les vaisseaux cérébraux de la barrière hémato-encéphalique. La technique est spécifiquement conçue pour les agents anti-inflammatoires.
Reconstruction 3D d'un vaisseau cérébral artificiel par microscopie à fluorescence. Chaque vaisseau est constitué de cellules endothéliales uniques (magenta) qui sont étroitement connectées les unes aux autres par des jonctions dites serrées (turquoise).
DZNE / LAT
Pour empêcher les substances nocives ou les agents pathogènes de pénétrer dans le cerveau à partir de la circulation sanguine, les vaisseaux sanguins du cerveau sont tapissés de cellules endothéliales qui forment la barrière hémato-encéphalique. "Vous pouvez considérer cette couche de cellules comme un filtre destiné à protéger le cerveau des dangers. C'est un peu comme dans un quartier de haute sécurité où tout le monde n'a pas le droit d'entrer", explique le Dr Eugenio Fava, chercheur sur le site de DZNE à Bonn et responsable de "Core Research Facilities & Services", une unité centrale qui fournit aux scientifiques des technologies de mesure de pointe. "Les médicaments contre les maladies du cerveau doivent donc être adaptés pour pouvoir traverser la barrière hémato-encéphalique et ainsi agir dans le cerveau."
Des tests de laboratoire nécessaires
Les tests de perméabilité jouent donc un rôle central dans le développement de médicaments destinés à traiter les maladies du cerveau. Ces analyses visent à identifier les substances prometteuses en laboratoire, bien avant les essais cliniques sur l'homme. C'est à ce stade précoce du développement des médicaments que la méthode conçue par les chercheurs de Bonn entre en jeu. "Nous pensons que notre approche recrée la barrière hémato-encéphalique mieux que de nombreuses techniques actuellement utilisées. Cela permet de prédire de manière plus réaliste l'absorption des médicaments par le cerveau", explique M. Fava. "Notre méthode est spécifiquement adaptée aux agents anti-inflammatoires. Nous nous concentrons sur cet aspect, car ces dernières années, on a découvert que les processus inflammatoires jouaient un rôle important dans les maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer."
Le chercheur du DZNE voit dans cette nouvelle méthode de dépistage un potentiel d'application tant dans le domaine scientifique que dans l'industrie pharmaceutique : "L'utilisation va au-delà des tests de perméabilité des substances pharmaceutiques. Certaines maladies du cerveau compromettent la barrière hémato-encéphalique. Avec notre système modèle, on peut reproduire et étudier de tels processus pathologiques à la frontière entre la circulation sanguine et le cerveau."
Deux étapes
La méthode comporte essentiellement deux étapes. Tout d'abord, le composé à tester est passé en solution aqueuse à travers un dispositif technique qui imite la fonction de filtrage de la barrière hémato-encéphalique. Ensuite, un échantillon est prélevé derrière le filtre et examiné pour déterminer si le composé a traversé la barrière. Pour cela, le fluide extrait est placé sur une culture cellulaire de globules blancs humains. "Ces cellules immunitaires servent de capteurs", explique le Dr Sven Fengler, biologiste moléculaire, qui a joué un rôle clé dans le développement de la nouvelle méthode de dépistage. "Si le fluide dérivé de notre appareil de filtration contient des substances anti-inflammatoires, la réponse immunitaire des globules blancs sera réduite. Si le composé est absent, aucune réduction de la réponse immunitaire n'est détectable."
Puisqu'un test basé sur les réactions immunitaires est utilisé à ce stade, la technique de criblage est orientée vers les composés anti-inflammatoires. Toutefois, le cœur de l'approche du chercheur de Bonn est le "dispositif de filtration", qui, en principe, convient également aux tests de perméabilité d'autres types de composés. "C'était notre objectif initial dès le début et pendant le processus de développement", explique M. Fengler.
Canaux en filigrane
Un élément essentiel du matériel est constitué par des plaques en plastique spéciales, de la taille d'une main, qui sont disponibles dans le commerce pour les expériences avec de minuscules quantités de liquide ("microfluidique"). Ces plaques sont traversées par un réseau de tuyaux très fins. Dans certaines parties de ce système de canaux, les scientifiques du DZNE introduisent des cellules endothéliales qui recouvrent les parois internes des capillaires d'une couche dense de cellules. De cette façon, on crée des vaisseaux qui imitent les vaisseaux sanguins du cerveau humain. Les cellules endothéliales utilisées à cet effet sont dérivées au préalable de cellules souches humaines reprogrammées : des cellules "polyvalentes" qui, conditionnées de manière appropriée, peuvent se transformer en une grande variété de types de cellules.
Environ quatre années de recherche ont été consacrées au processus de production des vaisseaux cérébraux artificiels. En combinaison avec les plaques microfluidiques préfabriquées, le protocole permet de créer de tels vaisseaux de manière standardisée et reproductible. "Nos vaisseaux artificiels forment un modèle de la barrière hémato-encéphalique humaine qui est assez proche de la réalité. Cela se traduit par des mesures de la résistance électrique de la couche endothéliale, à partir de laquelle on peut évaluer l'étanchéité de cette barrière, et diverses autres caractérisations. Il est également important que notre installation maintienne le fluide à l'intérieur des vaisseaux en mouvement pour simuler le flux sanguin", explique M. Fengler.
Plusieurs mesures à la fois
Les scientifiques peuvent créer 40 vaisseaux de ce type par plaque, les traiter individuellement et tester ainsi 40 composés simultanément. Un essai prend environ deux semaines, préparations comprises, car pour chaque essai, les vaisseaux cérébraux artificiels doivent se développer à nouveau dans une plaque initialement "nue". Pour mesurer la perméabilité, il est crucial que chacun des canaux dans lesquels les vaisseaux se développent soit connecté localement à un autre canal qui ne contient pas de cellules endothéliales. Un gel spécial est introduit dans le goulot d'étranglement entre les canaux. Dans la zone de contact, les cellules endothéliales présentes dans un seul des canaux reposent ainsi directement sur le gel. "Ce gel, d'une part, ferme les capillaires et, d'autre part, permet aux substances chimiques qui pénètrent à travers la couche de cellules endothéliales de se diffuser ensuite dans l'autre canal. Cela correspond à la situation dans laquelle ces substances pénètrent dans le cerveau", explique M. Fengler.
Perspectives
À ce jour, les scientifiques du DZNE ont testé avec succès la nouvelle méthode sur différents composés de référence. "Notre méthode est assez élaborée et donc taillée pour la précision. Il ne s'agit donc pas d'un débit élevé, mais de ce que l'on appelle un criblage à haut contenu. Nous voyons des applications potentielles lorsqu'il s'agit d'identifier, à partir d'un nombre réduit de candidats médicaments prétestés, celui qui a le plus de chances d'atteindre le cerveau en quantité suffisante", explique Philip Denner. "Nous visons maintenant à optimiser davantage notre approche et, à long terme, peut-être à la transformer en un processus commercialisable."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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