Organes sur puce Accélérer les essais cliniques grâce à la bio-impression 3D et à l'automatisation

Les modèles tissulaires miniaturisés sur des puces microfluidiques peuvent accélérer le développement de nouveaux médicaments. Pour cela, il est essentiel de disposer d’un processus de fabrication automatisé, propre et reproductible. Une collaboration entre Festo, l’université technique de Darmstadt et la start-up Black Drop montre comment l’impression 3D biologique, la microfluidique et le transport sans contact peuvent être combinés pour former un processus continu.

Imprimer facilement des organes miniaturisés ? Ce qui ressemble à de la science-fiction est déjà une réalité : la bio-impression 3D est une technologie biomédicale clé permettant de fabriquer des tissus vivants et des organes miniaturisés. Ce procédé consiste à intégrer des cellules biologiques dans ce que l'on appelle des hydrogels. Ce mélange, appelé « bio-encre », est déposé couche par couche, à l’instar de l’impression 3D classique. Les structures biologiques ainsi créées peuvent être utilisées dans divers domaines d’application. L’éventail des applications comprend des implants biologiques dans le domaine de la médecine régénérative, de la viande produite en laboratoire comme alternative aux aliments d’origine animale, ainsi que des modèles d’organes miniaturisés pouvant servir à tester des principes actifs. Ces derniers revêtent une importance particulière pour la recherche biomédicale. Lorsque ces mini-organes sont mis en place sur des puces microfluidiques, on parle d’« Organs-on-a-Chip » (OOC). À l’avenir, ceux-ci devraient être utilisés comme systèmes de test plus pertinents dans la recherche pharmaceutique.

Préférence accordée à la méthode « drop-on-demand » pour les « organs-on-a-chip »

L'impression 3D biologique englobe différentes technologies d'impression. Le procédé « drop-on-demand » est particulièrement adapté à la fabrication de composites multimatières et à l'impression de petites structures tissulaires (par exemple, des OOC) sur des puces microfluidiques. À l’instar d’une imprimante de bureau, ce procédé d’impression sans contact consiste à projeter des gouttes individuelles d’encre biologique sur une certaine distance pour les transférer sur la surface à imprimer. Par rapport à d’autres procédés tels que la micro-extrusion ou la stéréolithographie, ce procédé se distingue par la large gamme de matériaux qu’il permet d’utiliser dans la plage de viscosité faible à moyenne, par la tension de poussée contrôlable de la buse et par le transfert de matière sans contact, qui facilite l’impression de cavités ou de surfaces irrégulières.

De meilleurs modèles pour le pipeline de découverte de médicaments

Le développement de nouveaux médicaments suit un processus en plusieurs étapes, appelé « pipeline de découverte de médicaments ». L'identification et l'optimisation de candidats-médicaments prometteurs sont suivies d'essais précliniques sur des cultures cellulaires et chez l'animal, avant le début des essais cliniques chez l'homme. C’est précisément le passage des modèles précliniques à l’application clinique qui s’avère critique. Les cultures cellulaires classiques et les modèles animaux ne reflètent la physiologie humaine que de manière limitée et ne permettent donc de tirer que des conclusions restreintes quant à l’efficacité chez l’homme. Sur cinq candidats-médicaments testés chez l’homme, un seul en moyenne aboutit et obtient une autorisation de mise sur le marché. Les quatre autres candidats sont qualifiés de « late fails ». Ils échouent à un stade avancé du processus, après que beaucoup de temps et d’argent ont déjà été investis.

Les « organes sur puce » comblent précisément cette lacune dans la chaîne de développement. Ils associent des cellules humaines, des structures tissulaires tridimensionnelles et des canaux microfluidiques dans lesquels les milieux de culture et les principes actifs peuvent être acheminés de manière contrôlée. Il en résulte de petits systèmes de test semblables à des organes, qui reproduisent certaines fonctions des tissus humains de manière plus réaliste que les cultures cellulaires statiques ou l’expérimentation animale. Dans le domaine du développement de médicaments, ces systèmes peuvent aider à évaluer l’efficacité et les effets secondaires plus tôt et de manière plus pertinente. À l’avenir, cela devrait permettre de développer de nouveaux médicaments plus rapidement et à moindre coût.

État actuel de la technique : prometteur, mais encore très manuel

Les systèmes « organ-on-a-chip » sont aujourd’hui généralement mis en place dans des laboratoires spécialisés. On commence par préparer la puce microfluidique, puis on y introduit des cellules ou des hydrogels chargés de cellules à l’aide de la bio-impression 3D. D’autres étapes de traitement suivent ensuite. Les structures imprimées doivent être stabilisées, les canaux scellés, le milieu de culture introduit et les cellules cultivées dans des conditions contrôlées. Pour obtenir des modèles fonctionnels, une perfusion est en outre souvent nécessaire, c'est-à-dire un rinçage continu des canaux avec un liquide.

Cette chaîne de processus est en principe réalisable, mais dans la pratique, elle reste souvent marquée par des étapes manuelles. Les collaborateurs du laboratoire placent les puces, fixent les éléments de couvercle, raccordent les circuits fluidiques, installent les canules ou transfèrent les systèmes dans des environnements d’incubation. Cela exige de l’expérience et de la minutie, mais limite la reproductibilité, le débit et l’évolutivité. C’est précisément à cette interface entre la faisabilité biologique et un processus maîtrisable sur le plan industriel que s’inscrit le travail de développement conjoint mené par Festo, l’université technique de Darmstadt et Black Drop.

Une nouvelle puce au cœur de la chaîne de processus automatisée

Au cœur de ce travail de développement se trouve une puce microfluidique de conception innovante. Elle sert non seulement de support au futur modèle tissulaire, mais constitue également l'interface centrale pour l'automatisation. La structure de ses canaux, ses surfaces d'étanchéité et ses raccords de fluides sont conçus de manière à ce que l'impression, l'étanchéification, le remplissage et la culture ultérieure puissent être intégrés dans une chaîne de processus continue et entièrement automatisée.La puce repose sur un collecteur soudé par diffusion (Diffusion-Bonded-Manifold) doté de structures fluidiques intégrées de haute précision. Cela permet de distribuer les milieux de culture de manière contrôlée et d’organiser l’approvisionnement des cellules de façon ciblée. Pour les « organes sur puce », cette intégration est déterminante. Ce n’est que lorsque les tissus, les canaux, les joints, le guidage des milieux et les interfaces de processus s’imbriquent parfaitement qu’un assemblage cellulaire imprimé devient un système de test reproductible.

De la bio-impression au système de test en circuit fermé

L'imprimante biologique dépose des cellules vivantes sur la puce microfluidique à l'aide de la technologie « drop-on-demand ». Les cellules sont incorporées dans un hydrogel et dosées avec précision sous forme de très petites gouttelettes. Le matériau est ensuite réticulé à la lumière UV afin que la structure imprimée soit suffisamment stable pour les étapes suivantes du processus.

Après la bio-impression, on passe d'un processus d'impression ouvert à un système microfluidique fermé. Les canaux exposés et la chambre contenant les cellules imprimées sont recouverts d’une plaquette de verre revêtue de silicone. Cela permet de créer un espace liquide bien défini dans lequel les cellules peuvent être alimentées, perfusées et cultivées en vue de tests ultérieurs.

Transport sans contact au cours du processus

Le transport sans contact de la puce microfluidique constitue un élément clé du travail de développement. Pour cela, la puce repose sur un support flottant, qui est déplacé d'une station à l'autre à l'aide de la technologie Supra-Motion de Festo. Le système cinématique peut rester à l'extérieur de la salle blanche ; le transport s'effectue sans contact mécanique et sans dispersion de particules. Pour les applications des sciences de la vie, cela facilite le nettoyage, préserve les échantillons sensibles et favorise la fiabilité des processus dans des environnements proches des salles blanches.

L'automatisation, c'est rendre les étapes d'un processus maîtrisables

L'automatisation ne se limite pas à l'impression des cellules. Elle englobe également les étapes suivantes, qui sont déterminantes pour le bon fonctionnement d'un système « organe sur puce ». Parmi celles-ci figurent le recouvrement et l’étanchéification précis de la puce, l’ajout du milieu de culture, la préparation de la perfusion et le transfert en toute sécurité vers un environnement d’incubation. Ce sont précisément ces étapes, qui semblent secondaires, qui déterminent si un modèle biologique peut être cultivé de manière fiable.

Dans le processus illustré, trois canules traversent une membrane en silicone pour pénétrer dans la puce. Une canule crée une dépression afin de maintenir la plaquette de verre en place et d'assurer l'étanchéité des canaux. Le milieu de culture est introduit par deux autres canules. Une fois le remplissage terminé, les aiguilles sont retirées ; les perforations se referment d'elles-mêmes grâce à la membrane. La puce peut ensuite être transférée de manière stérile et sûre vers les étapes suivantes du processus.

La reproductibilité, condition préalable à une utilisation plus large

La nouveauté de ce travail de développement réside donc moins dans une étape isolée du processus que dans l'articulation de l'ensemble du déroulement. La bio-impression, la fluidique, l’étanchéité, l’alimentation en fluides, le transport, la technique de commande et les logiciels sont ainsi combinés de manière à ce qu’une succession d’opérations manuelles en laboratoire puisse donner lieu à un processus automatisé reproductible.

Il s'agit là d'une avancée décisive pour les technologies médicales et la recherche pharmaceutique. Si l'on souhaite que les systèmes « organ-on-a-chip » soient utilisés à plus grande échelle à l'avenir, leur fabrication et leur fonctionnement doivent non seulement être biologiquement viables, mais aussi documentables, reproductibles et évolutifs. L'automatisation réduit la variabilité liée au facteur humain, stabilise les paramètres du processus et facilite le passage de ces systèmes de la recherche à la pratique.

Perspectives : de la démonstration à la mise en œuvre

Dans le cadre d'une collaboration entre Festo, l'université technique de Darmstadt et Black Drop, une installation pilote a été mise en place, qui reproduit pour la première fois la fabrication automatisée d'« organes sur puce » sous la forme d'un processus cohérent. Cette installation doit désormais faire l'objet d'études scientifiques plus approfondies. L'accent sera mis sur la compréhension du processus, la reproductibilité, la qualité du modèle et la transposabilité à différentes applications. Sur cette base, la prochaine étape consistera à développer un système commercial entièrement automatisé qui permettra de faire évoluer les « organes sur puce » de l’environnement de laboratoire spécialisé vers une application plus large dans les domaines de la recherche, du développement de principes actifs et de la biomédecine.

L'intégration d'une chambre de culture (incubateur) et de capteurs en ligne supplémentaires pour le contrôle du processus constituent ici des étapes décisives du développement. Cela permet de créer un environnement de processus mesurable et standardisable, ce qui est essentiel pour les futures études de validation. La liaison entre le processus d’impression et la culture cellulaire en amont représente un défi. Afin de pouvoir exploiter l’installation automatisée à pleine capacité, les cellules doivent être produites en quantité suffisante et, idéalement, transférées automatiquement vers l’imprimante. Enfin, les méthodes d’analyse en aval, qui permettent de surveiller la qualité des modèles tissulaires après l’impression et pendant la culture, jouent un rôle essentiel. Une fois celles-ci mises en œuvre, la production et le contrôle qualité entièrement automatisés des OOC seront possibles.