Développement de nouvelles applications thérapeutiques utilisant la microfluidique

Je m'appelle Mamed Toner. J'ai d'abord été formé en génie mécanique, puis en génie biomédical et en sciences biomédicales. Je suis membre du corps professoral du Massachusetts General Hospital, de la Harvard Medical School et de la division des sciences et technologies de la santé de Harvard et du MIT, où j'étudie diverses applications du génie biomédical en médecine, notamment la détection de cellules rares dans le sang, que l'on peut identifier très rapidement en surveillant les changements de leur physiologie, afin de comprendre le fonctionnement de ces cellules dans un état pathologique, par exemple lors d'une inflammation ou chez un patient brûlé ou traumatisé.

Et tenter de comprendre la réponse du système immunitaire inné, ainsi que la manière dont les cellules sanguines régulent la réponse inflammatoire dans ce type de cas, tout en analysant leur génomique et leur protéomique. Dans de tels exemples, l'objectif est d'identifier ces cellules sans modifier leur physiologie ni leurs niveaux d'expression, entre autres. Ainsi, ce que vous étudiez est la physiologie naturelle du problème sous-jacent, et non un artefact dû à la manipulation des cellules.

D'autres applications seront des dispositifs de type point de prélèvement, comme des puces destinées à la santé mondiale capables de mesurer des cellules d'intérêt afin de déterminer l'initiation d'un traitement, par exemple le taux de lymphocytes positifs pour le CD4. Nous travaillons donc au développement de puces capables de détecter et de compter les cellules positives pour le CD4, en utilisant une technologie de puce microfluidique. Des applications plus complexes consisteront en ce que nous appelons la détection de cellules rares. En médecine, en particulier en médecine clinique, nous avons généralement affaire à des cellules courantes et essayons de comprendre la physiologie d'un individu à partir de ces cellules.

Mais en réalité, de nombreux processus physiologiques ou physiopathologiques sont contrôlés par des cellules beaucoup plus rares, telles que les cellules dendritiques, les cellules souches, les cellules régulatrices, ou encore, dans le cas du cancer, les cellules tumorales circulantes. Nous sommes donc intéressés par la détection de cellules rares qui pourraient effectivement déterminer la réponse à divers traitements, ainsi que servir d'outil diagnostique. Il s'agit donc d'un domaine très vaste, utilisant la microfluidique et le déplacement, ainsi que la mise en place de cellules sur des puces, pour diverses applications diagnostiques et thérapeutiques.

Les premières études en microfluidique se sont principalement concentrées sur la conception, tirant parti des outils des technologies de microsystèmes développés pour des applications de type circuits intégrés, et sur l'application de systèmes miniaturisés à des concepts de type laboratoire-sur-puce, permettant de développer des systèmes de cytométrie en flux microfluidiques, des systèmes d'électrophorèse microfluidiques et des systèmes de chromatographie microfluidiques. Grâce à ces études de miniaturisation, nous avons beaucoup appris sur la manière d'associer des systèmes biologiques à des microsystèmes. Ce qui a manqué jusqu'à présent dans ce domaine, c'est l'émergence d'applications majeures, d'applications réussies que nous pourrions qualifier de phares ou d'applications à fort impact clinique pour ces technologies.

Ainsi, nos laboratoires, notamment en raison de leur implantation dans un grand hôpital de recherche, se concentrent sur l'exploration d'applications significatives et facilitatrices de ces technologies, en identifiant des domaines où nous pouvons résoudre des problèmes qui ne pourraient pas l'être autrement. Par exemple, dans le cas du sida dans un contexte de santé mondiale, une puce très peu coûteuse, pouvant être utilisée pour détecter et isoler les lymphocytes positifs à partir de sang total, prélevé par simple piqure au bout du doigt, et dotée de fonctionnalités adaptées aux soins sur le terrain. Cette technologie, si elle est couronnée de succès, sera utilisée par des millions de personnes.

Ainsi, la fabrication de ces dispositifs, leur montée en échelle et leur utilisation dans des applications à fort impact constituent des domaines sur lesquels nous avons concentré notre attention, tout comme de nombreux autres acteurs du domaine ces derniers temps. Mais c’est précisément là que je prévois des avancées majeures : trouver des applications significatives de ces technologies en médecine clinique et en sciences biologiques. Les mêmes outils sont également explorés, de manière très ingénieuse, pour étudier des processus biologiques fondamentaux, tels que l’analyse des interactions entre cellules, l’étude de la réponse des cellules à des signaux environnementaux, ou le contrôle très précis du microenvironnement des cellules et des tissus, ce qui permet ensuite de comprendre les mécanismes fondamentaux régulant la réponse biologique. Les applications de ces approches incluent, par exemple, des concepts de type « salaire vivant » sur lesquels nous travaillons, où des cellules – ou des clones de cellules – sont marqués de manière à rendre compte de l’expression de différents gènes, puis intégrés dans un réseau microfluidique très complexe et exposés à des milliers de conditions différentes au cours d’une seule expérience.

Et vous pouvez surveiller l'expression génique en temps réel de ces cellules marquées avec spec, différentes clones étant marquées avec différents gènes. L'un des problèmes critiques, qui est selon moi l'un des plus grands défis dans ce domaine, concerne la manière de traduire ces découvertes fondamentales ou ces technologies prometteuses, pour ainsi dire, en de nouvelles thérapies ou en applications biologiques significatives ; il s'agit d'un domaine fortement pluridisciplinaire.

Vous avez besoin d'ingénieurs, de physiciens, de biologistes, de neurobiologistes, selon les applications. Ainsi, selon moi, l'un des enjeux les plus importants a été de créer des passerelles entre les disciplines. La plupart des premières découvertes ont été réalisées par des ingénieurs et des physiciens qui n'avaient aucune formation solide ni compréhension des problèmes biologiques.

Mais plus récemment, les biologistes constatent également cela : ces outils suscitent un intérêt très marqué, et les différences entre ces différentes disciplines se sont considérablement réduites au cours des dernières années, en raison de l’intérêt tant du côté de la biologie que de celui des chercheurs pluridisciplinaires, tels que notre équipe, qui explorent ces applications en médecine clinique et en biologie. À mes yeux, cet aspect pluridisciplinaire constitue l’un des enjeux majeurs influant sur la traduction de ces idées. L’autre enjeu est le pont entre le milieu universitaire et l’industrie.

Beaucoup de ces idées proviennent du milieu universitaire, mais elles sont très complexes et impliquent des cellules, des processus biologiques complexes, ainsi que des questions d'ingénierie, de fabrication et d'emballage complexes. Ainsi, la traduction de ces technologies en produits commerciaux nécessite une attention considérable. Une partie de ce fardeau repose sur l'industrie.

Comment concrétiser des avancées fondamentales dans l'industrie n'est pas un processus simple, surtout lorsqu'il s'agit d'études cliniques et d'échantillons biologiques. À ces deux problématiques s'ajoutent la nature pluridisciplinaire du domaine et le transfert des connaissances du milieu universitaire vers l'industrie, qui pourraient constituer les deux principaux obstacles à surmonter dans les années à venir. Toutefois, de nombreux groupes travaillent activement sur ces questions, et je perçois un avenir particulièrement prometteur pour les applications de ce que j'appelle les technologies miniatures, les technologies micro et nanotechnologiques en médecine et en biologie.