De nombreux nouveaux médicaments candidats finissent par échouer parce qu’ils provoquent de graves effets secondaires lors des essais cliniques, même si les tests en laboratoire impliquant des cultures cellulaires ont été concluants. C'est un phénomène courant si les cellules utilisées proviennent de tissus animaux, par exemple.
Des cultures cellulaires spécialement préparées à partir de tissus humains, connues sous le nom de cellules souches pluripotentes induites par l'homme (hiPS), permettent une plus grande fiabilité des tests, augmentant ainsi également les chances qu'un médicament soit approuvé.
Les chercheurs du Fraunhofer ont développé des solutions innovantes pour une production optimisée de cellules dans des bioréacteurs et des cryotechnologies uniques. Cela ouvre la voie à une utilisation efficace et réelle de ces cultures cellulaires dans les tests de toxicité et la découverte de médicaments.
Les chercheurs sont confrontés à un dilemme si les participants subissent des effets secondaires graves au cours des essais cliniques visant à tester de nouveaux ingrédients actifs. Souvent, cela signifie que le développement d'un candidat médicament prometteur sera interrompu, de sorte que le médicament n'atteindra jamais le marché.
L’une des causes profondes est que les médicaments candidats sont généralement testés à l’aide de modèles de culture cellulaire in vitro basés sur des cellules animales ou d’abord sur des animaux. Dans les deux cas, il y a des limites à la façon dont les résultats des tests se traduisent chez les sujets humains. Cela signifie qu'il existe un risque que les participants à l'essai subissent soudainement des effets secondaires intolérables.
Les chercheurs en médecine placent de grands espoirs dans ce que l’on appelle les cellules souches pluripotentes induites par l’homme (hiPS). Ces cellules proviennent de tissus humains et constituent donc une base beaucoup plus précise que les tests conventionnels pour déterminer le fonctionnement des substances chez les sujets humains.
Les cellules sont prélevées sur du tissu cutané humain ou sur un échantillon de sang, puis subissent une procédure de reprogrammation spéciale en laboratoire. Après cela, ils ne sont plus programmés pour un seul type de tissu, c'est pourquoi ils sont appelés « pluripotents ».
À des fins de dépistage de drogues, les cellules hiPS peuvent ensuite être redifférenciées en presque tous les types de cellules présentes dans le corps humain. Cela réduit considérablement le risque d'effets secondaires indésirables survenant lors d'essais cliniques ultérieurs sur l'homme.
Les cellules nécessaires aux tests sont produites dans des bioréacteurs. Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Julia Neubauer, chef du département Cryo &Stem Cell Technologies à l'Institut Fraunhofer de génie biomédical IBMT, a désormais réalisé une avancée significative dans la multiplication et la différenciation des cellules hiPS dans un bioréacteur.
"Il est désormais possible pour la première fois d'étendre le processus afin de créer de grandes quantités de cellules fonctionnelles en peu de temps", explique Neubauer.
Le défi pour les scientifiques de Fraunhofer participant au projet commun R2U-Tox-Assay était de trouver la meilleure façon de reproduire les conditions environnementales qui se produisent naturellement dans le corps humain dans un bioréacteur afin que les cellules se multiplient rapidement sans aucune perte de fonctionnalité.
"Nous avons développé et produit notre propre hydrogel élastique qui sert de substrat spécifiquement pour le bioréacteur. Les cellules y sont chez elles et peuvent donc proliférer efficacement. Les paramètres choisis nous permettent de produire des quantités pertinentes pour les tests médicaux jusqu'à plusieurs milliards de cellules", explique Neubauer.
Les modèles cellulaires ainsi produits, qui peuvent être différenciés en tissus tels que le muscle cardiaque, la peau ou les neurones, peuvent ensuite être utilisés dans des tests permettant de tester des médicaments candidats et de déterminer leur toxicité. Un autre avantage est que les cellules hiPS sont des cellules humaines qui contiennent encore des informations sur le génome du donneur, ce qui permet de développer des tests appropriés de nouveaux principes actifs pour traiter également des maladies et des troubles ayant une composante génétique.
Cependant, un autre problème se pose, tant pour les chercheurs en médicaments que pour les centres médicaux universitaires :le stockage et la disponibilité des cultures cellulaires. Les chercheurs du Fraunhofer mettent à profit leurs décennies d'expertise en matière de cryoconservation de cellules pour répondre à cette question.
Fraunhofer IBMT a développé des méthodes de cryoconservation que l'on ne trouve nulle part ailleurs dans le monde. L'azote liquide est utilisé pour refroidir les modèles cellulaires cultivés dans le bioréacteur d'environ plus 23°C jusqu'à -196° en deux secondes.
Les chercheurs du Fraunhofer ont également développé une plaque de culture cellulaire spéciale qui peut être utilisée pour d'abord cultiver les cellules, puis les congeler. En combinaison avec le processus de congélation rapide, des moyens de congélation spéciaux empêchent la formation de cristaux de glace dans le tissu cellulaire, ce qui endommagerait le matériau et le laisserait pâteux. "Si vous avez déjà congelé des fraises à la maison, vous connaissez cet effet indésirable", explique Neubauer.
Elle et son équipe ont développé un protocole de cryoconservation détaillé décrivant la procédure correcte. Le protocole définit des paramètres, tels que la vitesse de refroidissement et les délais pendant lesquels le milieu de congélation doit agir, pour les types spécifiques de cellules à conserver. Ces méthodes garantissent que les cultures de cellules humaines sensibles conserveront leur pleine fonctionnalité après avoir été retirées du cryostockage puis décongelées.
Les plaques de culture cellulaire standardisées permettent de stocker et de transporter les cultures cellulaires presque sans limitation pour les criblages à haut débit utilisés dans la recherche pharmaceutique. Les hôpitaux et les laboratoires pharmaceutiques peuvent conserver des cultures cellulaires en stock afin de toujours disposer des bonnes cellules pour les tests de toxicité et de dépistage de drogues.
Les concepts raffinés de bioréacteur et de cryostockage ouvrent la voie à une utilisation efficace et réelle des cellules hiPS dans la recherche médicale. Les tests in vitro traditionnels impliquant des cellules animales et les tests sur les animaux éthiquement problématiques sont tous deux remplacés par des systèmes de tests beaucoup plus précis.
"Dans l'ensemble, les réalisations du R2U-Tox-Assay permettent un développement plus efficace et plus sûr de médicaments candidats pour traiter une série de maladies, notamment les maladies cardiaques et oculaires et même les troubles neurologiques tels que la démence", déclare Neubauer.
Fourni par Fraunhofer-Gesellschaft
