Par Andrée-Anne Lefebvre, stagiaire pour le blogue Hinnovic (ce billet a d’abord été publié sur Hinnovic). Les recherches sur les laboratoires sur puce sont en effervescence depuis quelques années. Ce billet vous explique ce qu’il faut savoir sur ces dispositifs innovants, qui tiennent dans le creux d’une main.

Que diriez-vous de tenir un laboratoire dans le creux de votre main ?

Il faut d’abord comprendre qu’un laboratoire sur puce est un dispositif miniaturisé pouvant effectuer des tâches normalement réservées à un laboratoire. L’invention des laboratoires sur puce provient tout d’abord de la microfluidique, science des systèmes manipulant de petits volumes de liquides, de nanolitres à des attolitres (10-18 litres). Ceux-ci sont contenus dans des canaux de quelques dizaines de micromètres de diamètre, donc un peu plus petits que l’épaisseur d’un cheveu. De cette façon, les systèmes utilisant la microfluidique peuvent répéter des expériences à très petite échelle, en utilisant très peu de matériel.

C’est en 1979 que Stephen C. Terry, un chercheur de l’université Stanford, a mis au point le premier système microfluidique, qui pouvait alors effectuer un seul processus d’analyse des gaz. Il aura fallu plus de 10 ans à la communauté scientifique pour surpasser son travail et mettre au point les microsystèmes d’analyse totale (ou microTAS), permettant d’effectuer l’analyse complète d’un échantillon. En une seule opération, ces minilaboratoires peuvent maintenant révéler les secrets de presque n’importe quel échantillon.

Depuis, la recherche n’a cessé d’avancer et fait régulièrement les manchettes. Un journal scientifique complètement dédié à la microfluidique et à ses applications, Lab on a Chip, a d’ailleurs été créé en 2001. Celui-ci, publié mensuellement, offre une plateforme aux découvertes et avancées de toutes les disciplines, notamment dans les domaines de la chimie analytique et de la biologie moléculaire. Chaque année se tient également le Lab-on-a-Chip, Microfluidics & Microarrays World Congress, un événement visant à partager le savoir relatif à cette discipline très prometteuse. Signe que le domaine est en effervescence, plus de 500 articles scientifiques ont été publiés à ce sujet entre janvier et août 2016 seulement !

Applications concrètes en santé

Les laboratoires sur puce ont des applications quasi infinies, mais se concentrent surtout sur les sciences de la vie. Des dispositifs existent d’ailleurs déjà pour analyser la plupart des molécules biologiques telles que l’ADN, les protéines et les anticorps. Cela permet de passer au crible des échantillons contenant ces molécules pour les identifier, les détecter et les isoler, notamment dans des cas de pathologies.

L’intérêt principal de ces laboratoires miniatures se situe dans la portabilité. Le fait de pouvoir diagnostiquer des maladies comme la malaria, le VIH ou le cancer directement auprès de la population ciblée, sans l’intermédiaire d’un laboratoire physique, permet de sauver beaucoup de vies.

À Toronto, par exemple, la compagnie ChipCare, parrainée par l’incubateur d’entreprises MaRS, a mis au point un dispositif de la taille et de la simplicité d’un téléphone intelligent permettant de diagnostiquer des maladies comme le VIH en 20 minutes. L’objectif est que cet outil soit déployé dans des zones critiques, notamment en Afrique subsaharienne où plus de 22 millions de personnes vivent avec le VIH, ce qui permettrait aux professionnels de la santé sur le terrain de dépister le virus sans avoir à passer par des laboratoires. Ceux-ci sont souvent éloignés, et les patients prennent parfois plusieurs jours simplement pour s’y rendre, ce qui cause des retards critiques de diagnostic de plusieurs semaines ou de quelques mois.

Une autre application des laboratoires sur puce touche directement la santé publique, en permettant le suivi de maladies infectieuses en temps réel, sur le terrain – on pense notamment aux épidémies des virus de la grippe, Ebola et Zika. Dans des zones défavorisées où l’accès aux soins de santé et aux laboratoires d’analyse est rare, les laboratoires sur puce améliorent les délais d’attente, les réduisant de plusieurs mois à quelques minutes. Les patients peuvent donc être diagnostiqués et soignés plus rapidement, et l’évolution de la maladie peut être suivie sans retard.

Les laboratoires sur puce ont également des applications spatiales et la NASA utilise déjà ces dispositifs dans l’espace, pour identifier des contaminants potentiels à bord de la Station spatiale internationale. Les cartouches utilisées dans le Lab-on-a-Chip Application Development — Portable Test System (ou LOCAD-PTS) peuvent détecter des endotoxines, des moisissures et des bactéries. Le système permet de réaliser des analyses en aussi peu que 15 minutes, dans le but de vérifier si les astronautes risquent une contamination. Il n’est donc pas surprenant que la majorité des fonds investis dans la recherche en microfluidique provienne de diverses agences gouvernementales à travers le monde. Si on peut détecter des contaminants dans l’espace, on peut aussi aisément le faire dans un contexte de conflit armé, par exemple pour les armes biologiques ou au milieu de camps de réfugiés. Les laboratoires sur puce peuvent faire la différence entre la vie et la mort en permettant de détecter en quelques minutes la présence de gaz toxiques, de toxines ou de contaminants.

Vers un « humain sur puce »

La technologie la plus impressionnante dérivée des laboratoires sur puce est certainement la création d’« organes sur puce » ! Actuellement, il est possible de recréer in vitro le fonctionnement des poumons, du cœur, des vaisseaux sanguins, des reins, et même de la moelle osseuse, sur une puce ayant la taille approximative d’une clé USB standard. Comment ça fonctionne? Pour commencer, la structure de base est formée d’un polymère flexible, permettant l’expansion de la puce au gré des courants fluidiques. Puis, différents environnements sont créés au besoin. Par exemple, pour la puce représentant un poumon, une barrière poreuse sépare deux zones permettant de recréer les échanges gazeux ayant lieu pendant la respiration. Ensuite, les cellules humaines appropriées sont cultivées (dans ce cas, des cellules sanguines et des cellules épithéliales) et les agents à l’étude sont intégrés au milieu, par exemple des bactéries ou des médicaments, afin de vérifier leur comportement. Cela permet d’étudier la diffusion et le fonctionnement de différentes substances dans un milieu presque en tout point similaire à l’original.

L’avantage principal des organes sur puce, comparés avec les milieux in vitro ordinaires, est d’intégrer le mouvement des substances d’un compartiment à l’autre, ce qui est beaucoup plus près de la réalité que les milieux de culture cellulaire hermétiques utilisés habituellement. Comme l’explique la Dre Géraldine Hamilton dans cet exposé filmé à TEDxBoston, les options actuelles pour tester des médicaments sont la culture cellulaire en pétri ou les modèles animaux, qui sont toutes les deux insuffisantes et coûteuses. Effectivement, en pharmaceutique, il est utile d’étudier l’effet d’un médicament directement sur sa cible, comme une cellule pulmonaire. Par contre, l’observation de son interaction et de son métabolisme à travers tous les organes concernés est beaucoup plus avantageuse. On peut aussi prévoir une fusion prochaine de ces différents organes sur puce, pour recréer finalement le fonctionnement d’un corps entier. Le grand apport des organes sur puce serait donc d’éventuellement réduire – ou éliminer ! – l’utilisation d’animaux de laboratoire en recherche clinique.

S’affranchir de l’utilisation des animaux en recherche

Bien que l’utilisation d’animaux en recherche soit très répandue, elle possède plusieurs inconvénients, comme le coût, le temps requis, les enjeux éthiques en lien avec la souffrance animale, et le fait que les modèles animaux ne se transposent pas toujours chez l’humain, rendant plusieurs découvertes inutilisables. Cependant, pour en arriver à une utilisation générale des organes sur puce en recherche, il faudra convaincre la communauté scientifique, traditionnellement conservatrice, d’adopter ces dispositifs en masse. Dans le monde compétitif de la publication, les expériences fondées sur des décennies de recherche animale, et pouvant donc être corroborées par plusieurs chercheurs, ont une plus grande valeur et peuvent être reproduites plus facilement. La validation répétée des organes sur puce sera donc essentielle pour éradiquer l’utilisation d’animaux en recherche clinique.

Nous vous parlions déjà en 2014 du Microphysiological Systems Program , qui était alors un projet en cours. Maintenant, des « organes sur puce » ont été élaborés par des laboratoires partout dans le monde et sont déjà fonctionnels et éprouvés. Le corps entier miniaturisé suivra bientôt, et sera disponible à des fins de recherche dans le domaine pharmaceutique. À quand le remplacement complet des animaux de laboratoire ?