Approches expérimentales pour le génie tissulaire

Je m’appelle Ali Kamasi et je suis actuellement professeur adjoint à la division des sciences et technologies de la santé du MIT de Harvard. Et j’ai un poste conjoint avec la Harvard Medical School, plus précisément au Brigham and Women’s Hospital, qui est affilié à la Harvard Medical School. Et mes domaines de recherche sont l’ingénierie tissulaire à l’échelle microscopique et le domaine des biomes.

Mon parcours académique est donc plus proche de l’ingénierie chimique, et j’ai commencé dans ce domaine. J’ai fait mes études de premier cycle en génie chimique à l’Université de Toronto, et par la suite, je me suis beaucoup intéressé à l’ingénierie plus axée sur la biologie. J’ai donc fait une maîtrise en génie biomédical à l’Université de Toronto, où j’ai travaillé spécifiquement sur la différenciation des cellules souches.

Et puis je suis venu au MIT et j’ai fait mon doctorat avec le professeur Robert Langer en bio-ingénierie. Et après, après quelques mois de postdoc, j’ai rejoint mon poste actuel. Les domaines de recherche sur lesquels nous nous concentrons se situent vraiment à l’interface entre la biologie, l’ingénierie et la science des matériaux.

Donc, et ce que nous essayons de faire, c’est d’essayer de répondre à des questions auxquelles les biobiologistes essaient de répondre depuis longtemps, mais d’une manière qui ne pouvait pas être faite auparavant en apportant de nouvelles technologies et de nouvelles perspectives, pour comprendre ces questions. Et l’un des principaux problèmes médicaux que nous essayons de résoudre est vraiment cette pénurie d’organes. Comment pouvons-nous générer des organes tridimensionnels qui pourraient être potentiellement transplantés de sorte que, vous savez, car, vous savez, il y a évidemment une énorme pénurie d’organes professionnels, et de nombreux patients ont besoin d’organes transplantables et il y a d’énormes listes d’attente.

Donc, l’une des choses que nous et d’autres personnes dans le domaine de l’ingénierie tissulaire essayons de faire est d’essayer de générer des approches où nous pouvons fabriquer des tissus artificiels. Et selon le même concept, l’un des principaux problèmes qui existe à l’heure actuelle, c’est-à-dire qui concerne également la découverte de médicaments et la découverte de nouveaux médicaments, est de savoir comment générer de meilleurs modèles qui représentent les tissus à l’extérieur du corps afin que nous puissions tester des médicaments et des produits chimiques et voir quels sont leurs effets sur ce type de tissus. Et une fois que nous pouvons le faire correctement, nous pouvons avoir un bien meilleur comportement prédictif des médicaments qui vont réellement être efficaces.

Il n’y a donc pas les rappels de médicaments après leur approbation et les effets secondaires, et vous pouvez avoir un bien meilleur processus de découverte de médicaments. Les dispositifs microfluidiques sont une sous-section de ce que nous appelons les technologies à l’échelle microscopique. Et sur ces technologies à micro-échelle, je, peut-être que je vais expliquer ce qui commence par là.

Ce qu’ils essaient de faire, c’est d’essayer d’imiter la complexité des tissus biologiques ou des systèmes biologiques. La plupart des cellules mesurent donc environ quelques dizaines de micromètres. Et pour vraiment comprendre les cellules à ces dimensions, vous devez disposer de technologies capables de concevoir ce qu’une cellule voit et ce qu’une cellule détecte à des échelles de longueur allant de beaucoup plus petites que 10 micromètres à plus de 10 micromètres.

Vous pouvez donc avoir des cellules individuelles et être en mesure de manipuler leur environnement. Donc, ce qu’un système comme la microfluidique nous permet de faire, c’est d’essayer, nous permet d’avoir un contrôle très étroit sur la façon dont les facteurs solubles sont délivrés aux cellules. Par exemple, il est possible d’avoir un canal microfluidique et de générer un gradient de concentration de a, une chimiokine, un facteur de croissance ou une cytokine.

Et ce que cela nous permet de faire maintenant, c’est d’essayer d’imiter ce qui se passe au cours du développement normal ou au sein de systèmes biologiques où il y a des gradients de concentration dans un organisme qui dit réellement à la cellule ce qu’elle devrait faire. Donc, avec les systèmes microfluidiques, nous pouvons générer ce genre de complexité biologique de manière très rapide et contrôlée, puis analyser le comportement cellulaire directement, en exposition à ce type de gradients de concentration ou de signaux biologiques, biologiques et spatiaux. L’ingénierie tissulaire est apparue il y a environ 20 ou 30 ans avec l’idée d’essayer d’utiliser des cellules transplantables et de les fusionner avec des matériaux afin que nous puissions soit générer de meilleurs tissus tridimensionnels, et au départ, des gens essayaient d’obtenir des matériaux biodégradables, d’en faire des mousses.

Et donc, vous savez, ce sont des structures très poreuses. Et puis ensemencer ces mousses avec des cellules. Ainsi, lorsque les cellules se déplacent à l’intérieur de cette mousse, elles s’installent à des endroits particuliers et, au fil du temps, les cellules commencent à déposer leur propre matrice biologique.

Et comme ces matériaux sont biodégradables, ils se dégradent avec le temps et il ne vous reste qu’un tissu entièrement biologique. Et cette approche a été particulièrement utile pour, vous savez, certains organes plus simples, comme le cartilage. Et il y a eu des choses comme notre peau artificielle qui a été approuvée par la FDA.

C’est donc cliniquement viable. Là où cette approche pourrait potentiellement être plus utile, c’est en ce qui concerne des structures plus complexes comme, comme le cœur ou le foie, où vous avez vraiment des interactions cellulaires très contrôlées et une complexité et une architecture très contrôlées à l’échelle microscopique. Donc, l’une des idées originales de l’ingénierie tissulaire, c’est que lorsque vous mettez les cellules, les cellules se réorganisent en quelque sorte pour générer une partie de cette complexité que vous voyez dans le corps normal.

Mais cela, et cela arrive dans une certaine mesure, mais cela ne se produit pas jusqu’au bout. Donc, un organe issu de l’ingénierie tissulaire au niveau de la microstructure, il serait toujours différent d’un tissu biologique véritablement natif. Et c’est parce que les cellules ne s’assemblent tout simplement pas comme elles le feraient complètement pendant, pendant, pendant le développement.

Donc, ce que nous essayons de faire, en ce qui concerne l’ingénierie des tissus en mouvement à l’échelle microscopique, c’est d’essayer de recapturer cette complexité. Alors, comment faisons-nous cela ? Alors, et quelles sont les complexités que nous voulons générer ?

Eh bien, l’une des choses est que les tissus de vascularisation sont très, très vasculaires et que l’approvisionnement, cela fournit au tissu de l’oxygène et des nutriments et d’autres choses dont il a besoin. À l’heure actuelle, il est donc très difficile de concevoir de grandes structures de tissus et de pouvoir fournir à toutes les cellules les quantités appropriées de nutriments et d’oxygène. Une chose que les technologies à l’échelle microscopique nous permettent de faire est en fait potentiellement de concevoir le micro système vasculaire directement dans nos structures tridimensionnelles.

Une autre chose que les technologies à l’échelle microscopique nous permettent de faire est d’essayer de contrôler comment les différents types de cellules interagissent au sein de cette structure tridimensionnelle. Donc, vous voudrez peut-être avoir, vous savez, un type de cellule dans une structure particulière et avoir un type de cellule secondaire à côté, tout comme il le ferait dans le corps. Et en utilisant des technologies à l’échelle microscopique, nous pouvons essayer de recapturer ce type de géométries et de complexités qui sont présentes dans le corps au sein de notre structure tridimensionnelle.

Nous n’avons donc pas nécessairement à espérer qu’ils s’assemblent directement à l’intérieur des échafaudages. Les défis sont nombreux. L’un des principaux défis en ce qui concerne la façon dont nous pouvons modifier les tissus est vraiment, même si nous fabriquons un tissu tridimensionnel, nous voulons toujours qu’il soit fonctionnel et il y a une variété de fonctions métaboliques mécaniques et biochimiques que les tissus normaux effectuent, que ces organes issus de l’ingénierie tissulaire ont besoin de, vous savez, pour, pour essentiellement recapturer et imiter.

Donc, ce qui a été un problème à l’heure actuelle, c’est que de nombreux organes issus de l’ingénierie tissulaire ne sont pas à la hauteur de leurs performances biologiques natives. Et une partie du problème est qu’en ce qui concerne les types de matériaux que nous utilisons actuellement, ils ne sont pas nécessairement optimisés pour une variété d’applications différentes. Et vous savez, nous, nous avons actuellement, nous avons encore besoin de mieux comprendre la biologie du développement et la biologie de la cicatrisation des plaies pour être en mesure de recréer des conditions qui permettent aux cellules à l’intérieur de ces échafaudages tridimensionnels d’aller vraiment jusqu’à ce que vous savez, elles le feraient dans le corps au cours du développement normal ou de la cicatrisation normale des plaies afin que nous puissions obtenir des structures finales qui imitent réellement un ou, Vous savez, des tissus développés.

Et la biologie est toujours en cours d’exploration et de développement. Donc, vous savez, c’est une chose, c’est la biologie, l’autre, ce sont de meilleurs matériaux. Et enfin, je pense qu’un gros problème reste la source cellulaire.

Vous savez, c’est pourquoi il est vraiment important d’essayer d’explorer d’autres sources de cellules parce que les cellules de notre corps, vous savez, ce sont, vous savez, les cellules souches adultes sont très, vous savez, une source potentielle potentiellement viable de cellules. Aussi des choses comme l’embryonnaire et aussi de nouvelles approches que les gens trouvent en utilisant, vous savez, l’utilisation de cellules de peau ou d’autres cellules pour obtenir des cellules très primitives où vous pouvez essayer de diriger leur différenciation et obtenir une source viable de cellules. Je dirais donc qu’il s’agit de trois problèmes majeurs, vous savez, de meilleurs matériaux, une meilleure compréhension de la biologie et l’obtention d’une meilleure source de cellules dans les cinq prochaines années.

Il y aura beaucoup de changements pour rendre ces technologies à l’échelle microscopique plus largement applicables aux biologistes et aux ingénieurs tissulaires. Je pense que beaucoup de gens réalisent maintenant à quel point il est important d’étudier à la fois la biologie et de générer des tissus avec une résolution à l’échelle microscopique. Et je crois que ce sera une tendance très, vous savez, continue au cours des prochaines années.

Et je pense qu’un autre aspect, c’est qu’il y aura beaucoup plus d’interactions entre les gens sur le produit final, qu’il s’agisse des médecins cliniciens et, vous savez, de la FDA ou d’autres agents de réglementation et, vous savez, les gens d’affaires et les gens d’affaires. Il y aura donc de plus en plus d’interactions avec ces entités, avec les chercheurs fondamentaux pour essayer de revenir en arrière et essayer de voir quels sont les principaux problèmes dans la commercialisation de certaines des sciences qui ont été développées. Et je pense, et comment pouvons-nous le faire d’une manière sûre et éthiquement responsable.

Je pense donc qu’il y a à la fois scientifiquement, il y a encore de grands progrès à faire, mais aussi en ce qui concerne d’autres choses, il y aura encore, beaucoup de choses seront faites et je pense que cinq ans au moins seront les, les premières étapes et dans les 10 ou 15 prochaines années, c’est à ce moment-là que les choses vont vraiment devenir intéressantes en ce qui concerne la façon dont certaines de ces technologies, Plus précisément, en ce qui concerne l’ingénierie tissulaire et l’ingénierie tissulaire, c’est l’application de ces technologies aux tests de découverte de médicaments et autres, la façon dont elles vont être utilisées dans des applications réelles, dans le monde réel, dépend vraiment de l’organe dont nous parlons et du type d’application dont nous parlons. De toute évidence, la première et la plus évidente application des tissus artificiels est dans le domaine de la découverte de médicaments ou du diagnostic où vous essayez de mieux comprendre, d’obtenir de meilleurs modèles physiologiques de ce que vous pouvez avoir dans une culture tissulaire à l’extérieur du corps et d’être en mesure de les analyser, de les sonder pour mieux comprendre la biologie ou de les sonder pour comprendre, Vous savez, les produits chimiques ou les médicaments efficaces. Et je pense que dans ce domaine, le principal défi est vraiment d’obtenir quelque chose qui imite le tissu natif aussi complètement que possible, de sorte que si votre, si votre construction tissulaire dit que quelque chose est toxique, vous pouvez être très confiant que si vous le mettez dans un animal, alors ce sera lui, Ce sera toxique et ce sera très prédictif de la réponse que vous obtiendriez chez l’animal.

Donc, et je pense qu’en ce qui concerne les applications thérapeutiques réelles, il y a encore beaucoup plus d’obstacles à surmonter. Et je pense que les principales, les principales sont la façon dont ces agents thérapeutiques vont se comporter, vous savez, à court et à long terme parce que personne n’a vraiment, vraiment compris comment, vous savez, les cellules étrangères, disons, vous savez, les cellules modifiées ou les cellules souches à partir de cellules souches embryonnaires ou vous savez, d’autres personnes vont se comporter dans, dans mon corps ou dans le corps de quelqu’un d’autre à long terme. Et puis l’autre, je pense qu’il y a aussi d’autres questions éthiques comme, vous savez, comment pouvons-nous réellement, vous savez, quelle est la meilleure source de cellules qui est, vous savez, à la fois éthiquement contestée, éthiquement responsable, mais aussi scientifiquement et cliniquement réalisable et en ce qui concerne l’ingénierie des organes, je pense que là, la question principale est de savoir si vous pouvez avoir quelque chose qui est à la fois sûr et qui va fonctionner correctement Et vous savez, Il y a beaucoup de mécanismes de régulation que, vous savez, tout type d’organe issu de l’ingénierie tissulaire doit surmonter.

Et je pense que la FDA, à ce stade, commence à explorer comment réguler les tissus biologiques que les gens conçoivent pour des applications thérapeutiques. Et je pense qu’il y a un ou deux précédents pour ce genre de produits lors de la commercialisation, mais il n’y a pas encore de voie très normalisée où vous savez exactement ce qui va se passer pour passer d’un laboratoire à un produit final. En ce qui concerne certains de ces tissus biologiques artificiels, cela dépend vraiment de l’organe. Donc, pour certains, vous savez, quelque chose comme la peau, vous savez, vous savez, nous l’avons déjà.

Pour quelque chose comme un cœur, un cœur complet, je dirais que nous sommes très loin. Vous savez, je dirais peut-être, vous savez, enfin probablement 50, vous savez, je veux être très conservateur. Cela peut arriver plus tôt, mais il y a beaucoup de défis à relever pour obtenir quelque chose qui a la bonne complexité et qui fonctionne correctement comme le ferait un tissu biologique normal.

Mais je pense qu’en ce qui concerne des choses plus petites comme un tissu cardiaque, vous savez, et pas un cœur complet, nous sommes beaucoup plus proches. Et je dirais, vous savez, en ce qui concerne une demande clinique et quelque chose qui a été soumis au processus réglementaire, vous savez, il est possible de quelque chose d’ici 15 ans, vous savez, d’avoir des morceaux de tissu cardiaque transplantables que vous pouvez, vous pouvez faire. Et je pense que la plupart de ces projets seront à l’étape réglementaire, car à l’heure actuelle, il faut 12 ans pour approuver un médicament.

Donc, même si nous avons quelque chose à l’heure actuelle, que nous pensons parfait, vous savez, il faudra au moins une décennie pour s’assurer qu’il est sûr et qu’il remplit également le bon fonctionnement afin que nous puissions, vous savez, à grande échelle et de manière généralisée, l’utiliser chez les patients.