Mieux comprendre le fonctionnement de la barrière hémato-encéphalique
Jusqu'à présent, il n'était pas possible ou compliqué d'étudier la barrière entre le système sanguin et le système nerveux à l'aide de modèles. Des chercheurs de l'ETH ont désormais développé un modèle plus proche de la réalité, qui permet également de mieux étudier les nouvelles thérapies contre les tumeurs cérébrales.
? un enfant de onze ans, Mario Modena, postdoctorant au laboratoire de bioingénierie de l'ETH Zurich, expliquerait ainsi ses recherches sur la barrière hémato-encéphalique, qui protège notre système nerveux central des substances nocives présentes dans la circulation sanguine : "Ce mur est important parce qu'il empêche les mauvais types d'atteindre le cerveau". En cas de blessure ou de maladie du cerveau, le mur peut être troué. Parfois, de tels trous seraient même avantageux, parce qu'il faut par exemple apporter des médicaments dans le cerveau. "Nous voulons donc comprendre comment entretenir ce mur, le percer et le réparer".
C'est également important d'un point de vue médical, car de nombreuses maladies du système nerveux central sont liées à une violation de la barrière hémato-encéphalique. Les scientifiques étudient souvent le fonctionnement exact de cette barrière sur des animaux vivants. Cela co?te relativement cher, et les cellules animales ne fournissent que des informations limitées sur le fonctionnement du corps humain. En outre, certains critiques remettent en question le principe même de l'expérimentation animale. Une alternative est la recherche sur des cellules humaines cultivées en laboratoire.
La communication cellulaire jusqu'ici peu prise en compte
Le problème de ces modèles in vitro : la plupart du temps, la barrière hémato-encéphalique est reproduite de manière relativement simple avec des cellules de la paroi des vaisseaux sanguins (cellules endothéliales), ce qui ne correspond pas à la structure complexe du corps humain et ne tient pas compte, par exemple, de la communication entre les différents types de cellules. De plus, de nombreux modèles sont statiques : les cellules baignent dans une solution qui ne bouge pas, ce qui ne permet pas d'intégrer dans les observations le facteur de tension de cisaillement auquel les cellules sont soumises dans le corps, ni le facteur de flux de liquide.
En revanche, les modèles dynamiques in vitro, qui reproduisent les conditions de flux dans le corps, font généralement appel à des pompes qui compliquent le dispositif expérimental. ? tous ces défis s'ajoute également la problématique de la mesure : il n'est guère possible de fournir en temps réel des images haute résolution de la modification structurelle de la barrière et, en même temps, des chiffres sur la résistance électrique et la compacité et l'étanchéité de la barrière hémato-encéphalique qui en découlent.
Faire d'une pierre plusieurs coups
Si tous ces défis étaient des mouches, la plateforme de Mario Modena les ferait d'une pierre. Pendant trois ans et demi, lui et ses collègues ont développé, sous la direction d'Andreas Hierlemann, un modèle de barrière hémato-encéphalique 3D en microfluidique ouverte.
Pour créer cette barrière, l'équipe de recherche a combiné sur une même plateforme les types de cellules qui forment naturellement la barrière hémato-encéphalique : des cellules endothéliales microvasculaires, des astrocytes humains et des péricytes humains. "Nous reproduisons ainsi presque la structure cellulaire 3D du corps humain", explique Modena. " Mais ce qui est vraiment unique, c'est que nous pouvons mesurer la perméabilité de la barrière et en même temps visualiser les changements morphologiques de la barrière à l'aide d'une microscopie accélérée à haute résolution."Pour que les deux soient possibles, les chercheurs ont placé des électrodes entièrement transparentes sur des lamelles de verre de part et d'autre de la barrière pour mesurer la perméabilité - on mesure pour cela la résistance électrique à travers la barrière cellulaire. Les électrodes transparentes présentent ici un avantage décisif par rapport aux autres types d'électrodes qui peuvent influencer les résultats des expériences en raison de leurs structures filaires.
"Ne pas augmenter la complexité"
Pour imiter l'écoulement des liquides dans le corps, les chercheurs ont placé la plateforme avec le liquide dans les réservoirs sur une sorte de bascule. La gravité génère le flux, qui à son tour génère des forces de cisaillement sur les cellules. Andreas Hierlemann explique l'avantage de cette structure : "Comme nous n'utilisons pas de pompes, nous pouvons tester de nombreux modèles en parallèle, par exemple dans l'incubateur, sans augmenter la complexité".
Dans une étude qui vient d'être publiée dans la revue spécialisée "Advanced Science", les chercheurs ont présenté et testé leur nouveau modèle de barrière sang-cerveau in vitro. Pour ce faire, ils ont exposé la barrière à une carence en oxygène et en sucre, telle qu'elle se produit par exemple lors d'une attaque cérébrale. "Nous avons ainsi pu déclencher rapidement des modifications de la barrière et montrer le potentiel de la plateforme", explique Modena.
Des entreprises pharmaceutiques déjà intéressées
Dans cette étude, Modena et ses collègues n'ont pas seulement pu montrer que leur nouvelle plate-forme se prêtait à la mesure. Ils ont également découvert que la résistance électrique de la barrière s'effondre avant même qu'elle ne change morphologiquement et devienne ainsi plus perméable. "Cela pourrait être intéressant pour les recherches futures", explique Modena. Autre observation : lors d'essais de contr?le avec un modèle in vitro statique, la barrière était plus perméable que dans le nouveau dispositif expérimental de Modena. "Les forces de cisaillement générées par l'écoulement gravitationnel favorisent manifestement la formation d'une couche de barrière plus dense, ce qui confirme l'importance de la force de cisaillement dans les modèles in vitro".
Modena et Hierlemann pensent que leur modèle facilitera la découverte de molécules qui stabilisent la barrière, mais aussi de préparations et de méthodes permettant de la franchir. Cela jouerait un r?le dans le traitement des tumeurs cérébrales. Mais leur modèle pourrait aussi influencer l'avenir d'autres recherches in vitro, explique Hierlemann : "L'avantage de notre plateforme est qu'on peut l'adapter très facilement à d'autres modèles de cellules endothéliales et y permettre de nouvelles recherches en combinant la mesure de l'étanchéité et la microscopie à haute résolution". Le fait que l'industrie considère ce modèle comme porteur d'avenir se manifeste déjà. Une entreprise pharmaceutique est déjà en contact avec les chercheurs.
Référence bibliographique
Wei W, Cardes F, Hierlemann A, Modena MM : Modèle 3D in vitro de la barrière hémato-encéphalique pour l'étude des attaques de la barrière. Advanced Science, 13 février 2023, doi : page externe10.1002/advs.202205752