Au début de sa grossesse en 2015, Nicole Hashemi voulait savoir quelle quantité de caféine elle pouvait consommer sans danger.
“En fait, on m’a conseillé de ne pas boire beaucoup de caféine”, a déclaré à STAT Hashemi, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université d’État de l’Iowa. L’American College of Obstetrics and Gynecologists, par exemple, conseille aux femmes enceintes de consommer pas plus de 200 milligrammes par jour pour réduire le risque de fausse couche ou d’accouchement prématuré.
Hashemi pensait qu’il devrait y avoir un moyen pour elle de quantifier la quantité de caféine provenant du thé ou du café qu’elle consommait serait transportée vers son bébé en pleine croissance. Sa solution : construire un modèle simplifié du placenta qui montrerait, à l’aide de la technologie microfluidique, comment les fluides se déplacent à travers les canaux et les barrières, en quelles quantités et avec quels effets. Elle fait partie d’une poignée de chercheurs biomédicaux aux États-Unis et à l’étranger qui étudient comment le placenta – un organe notoirement peu étudié, unique par sa complexité et son impermanence – peut être modélisé en dehors du corps. Le placenta sur puce, à mesure qu’il sera perfectionné dans les années à venir, pourrait être utilisé pour répondre à des questions de recherche et déterminer l’impact des médicaments et des toxines pendant la grossesse, affirment ces chercheurs. “Cela va changer la donne pour les études sur la grossesse”, a déclaré Ahizechukwu Eke, qui dirige l’équipe de recherche materno-fœtale et est professeur agrégé de médecine à Johns Hopkins.
Le placenta est un organe vital qui joue un rôle important dans le développement du fœtus en pleine croissance. Non seulement il forme une barrière protégeant le fœtus contre les infections et les maladies maternelles, mais il fournit également des nutriments au fœtus et en élimine les déchets, même s’il change constamment tout au long de la grossesse. Pour des raisons à la fois pratiques et éthiques, il est pratiquement impossible d’étudier la fonction du placenta pendant la grossesse.
Les femmes enceintes sont souvent exclues des essais cliniques pour éviter de mettre en danger le développement du fœtus et d’exposer les sociétés pharmaceutiques à des poursuites judiciaires, a noté Eke. En conséquence, les médecins s’appuient sur des études sans groupe témoin, comme les registres de grossesse ou les études de cohorte rétrospectives, pour obtenir des données. Mais de telles bases de données « sont sujettes à la confusion, aux erreurs de classification et aux biais », a déclaré Eke. Les chercheurs se sont également tournés vers les tests sur les animaux, les études pharmacocinétiques – qui simulent l’effet physiologique des médicaments pendant la grossesse à l’aide de données et de modèles historiques – et parfois même le tissu placentaire expulsé après la naissance, pour étudier les effets des médicaments et d’autres substances. Mais les résultats ne reflètent pas toujours de manière fiable ceux des essais menés auprès de personnes enceintes.
L’année dernière, Hashemi et ses collègues ont reçu une subvention de 350 000 $ sur trois ans de la National Science Foundation pour faire progresser leur modèle actuel de placenta sur puce. Ils prévoient de concevoir des systèmes pouvant être intégrés au modèle pour faciliter la collecte de données en temps réel. Hashemi a déclaré à STAT qu’un système pourrait examiner les changements dans la forme des cellules lorsqu’elles sont exposées à des produits chimiques ou à des facteurs de stress physiques.
La technologie du placenta sur puce est simple mais potentiellement puissante, et des efforts similaires sont déployés pour reproduire l’environnement d’autres organes humains. La petite puce a généralement la taille d’une gomme en caoutchouc, gravée de minuscules canaux à travers lesquels les fluides se déplacent – offrant un modèle fonctionnel simplifié d’un organe pour tester des médicaments ou étudier la progression d’une maladie. Les chercheurs peuvent faire croître des cellules et faire passer des fluides agissant comme du sang à travers les chambres de la puce pour créer des environnements similaires à ceux du corps humain.
Selon Dan Huh, professeur de bio-ingénierie à l’Université de Pennsylvanie et leader dans le développement de nombreux organes sur puce, notamment le placenta et les poumons, maintenir l’environnement revient presque à tromper les cellules en leur faisant croire qu’elles sont toujours dans le corps afin qu’elles « fassent ce qu’elles sont censées faire ».
Un assistant de recherche du laboratoire de Hashemi tient un modèle de placenta sur puce, composé de deux couches de silicone transparente et flexible avec une membrane poreuse prise en sandwich entre elles. KC McGinnis pour STAT
Le modèle initial de Hashemi pour un placenta sur puce est né de son expérience de travail avec la technologie microfluidique pour compter le phytoplancton. La puce de son laboratoire est un bloc rectangulaire en silicone transparent et flexible avec deux couches et une membrane poreuse prise en sandwich entre elles.
Chaque couche comporte un microcanal gravé, mesurant 100 micromètres de hauteur et 400 micromètres de largeur. Les canaux sont reliés à des pompes séparées pour permettre au fluide représentant le sang de circuler dans les cellules. Un canal représente le flux sanguin maternel tandis que l’autre représente le flux sanguin fœtal, et les canaux sont bordés de cellules que l’on trouve le plus souvent dans le placenta. Les cellules endothéliales ou les cellules formant barrière protégeant le bébé sont cultivées sur un côté de la chambre à l’aide de cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC). De l’autre côté se trouvent les trophoblastes, qui fournissent des nutriments au bébé et sont cultivés à l’aide d’une lignée de cellules cancéreuses immortalisées.
Les chercheurs ont pu non seulement quantifier la quantité de caféine transportée du côté maternel vers le côté fœtal, mais ils ont également pu étudier comment les médicaments peuvent affecter le côté fœtal. En plus d’étudier comment les molécules traversent la barrière sanguine materno-fœtale, Hashemi a expliqué qu’en faisant circuler des fluides avec un débit plus élevé, il est possible d’imiter une pression artérielle plus élevée, ce qui entraînerait des forces mécaniques plus élevées sur les cellules. À l’avenir, Hashemi espère étudier l’effet des facteurs de stress mécaniques, comme la prééclampsie, sur les cellules.
“Nous pouvons prédire avec assez de précision comment les nutriments traversent réellement la barrière placentaire”, a déclaré Huh. Eke a accepté, ajoutant que parce que les chercheurs comprennent généralement les effets de certaines substances comme la caféine sur les femmes enceintes, ces puces valideront d’abord ces résultats établis et pourront ensuite être utilisées pour répondre aux questions sur les effets de médicaments inconnus.
“Donc, ce que cela nous dit, c’est que si nous utilisons le même modèle, pour étudier des médicaments sur lesquels nous n’avons pas de données pendant la grossesse, nous serons sûrs de dire : ‘OK, nous n’avons pas d’informations sur le médicament x pendant la grossesse,’ mais sur la base du résultat du placenta sur puce, nous pouvons affirmer avec certitude que ce médicament va faire x, y, z.
Huh a également mentionné que le modèle pourrait également examiner comment d’autres produits chimiques, tels que des toxines environnementales comme le cadmium, peuvent affecter la barrière materno-fœtale.
Dans une étude de 2021, l’équipe de Hashemi exposé le canal maternel vers la naltrexone, qui est généralement utilisée pour traiter la dépendance aux opioïdes, mais qui est déconseillé pendant la grossesse en raison d’un manque de données. Hashemi et ses collègues ont constaté que lorsque les cellules endothéliales ou le côté fœtal étaient exposés au médicament métabolisé, la barrière commençait à se désintégrer au bout de huit heures, validant ainsi la recommandation contre l’utilisation de naltrexone pendant la grossesse.
Jusqu’à présent, l’utilisation de la puce est strictement expérimentale. Davantage de données doivent être collectées avant que la puce ne soit soumise à la Food and Drug Administration pour approbation et puisse être utilisée par les sociétés pharmaceutiques comme méthode fiable pour prédire les effets qu’un médicament aura sur une personne enceinte. Cela pourrait prendre une décennie ou plus, a prédit Eke.
Cependant, tout est dans l’intérêt du patient, a déclaré Julie Kim, professeur de sciences de la reproduction en médecine à l’Université Northwestern, qui travaille avec des systèmes plus complexes comme le système reproducteur sur puce. « Mais il existe un écart énorme entre les observations que vous faites dans une culture cellulaire et ce qui se passe chez une femme. Et c’est pourquoi nous voulons créer des systèmes plus complexes, mais capables de contrôler.
Huh et le Wyss Institute ont commencé leurs travaux sur le poumon sur puce il y a environ 15 ans, et le domaine s’est depuis étendu pour inclure le placenta sur puce, mais seule une poignée de chercheurs, dont Huh et Hashemi, travaillent développer davantage les modèles.
En 2022, l’équipe de recherche de Huh a publié un article dans Nature Communications à propos d’un placenta sur puce conçu pour imiter l’implantation. Il espère qu’à l’avenir, cette technologie pourra être utilisée pour créer des modèles complexes de corps humain sur puce afin de comprendre l’impact de différentes expositions chimiques ou environnementales et pour une utilisation dans le développement de médicaments. Mais la création de ces systèmes intégrés sera un défi.
Il a fallu quatre ans à Hashemi pour proposer son modèle de placenta sur puce. Elle ne savait pas grand-chose sur la fonction du placenta lorsqu’elle a commencé, les ressources pour la recherche étaient rares et à l’époque, il n’existait aucune revue consacrée à la santé des femmes qui publierait ses recherches. Son étude sur la caféine n’a été publié qu’en 2019.
Hashemi cherche désormais à améliorer le modèle du placenta sur puce en collectant des données en temps réel, un peu comme le font aujourd’hui les trackers numériques et les glucomètres. “Cela me rappelle un peu ces glucomètres”, a déclaré Kim. « Votre corps fonctionne toujours, et il est capable de le mesurer, et vous le portez simplement et cela ne vous dérange pas. Mais vous obtenez toutes ces données. Eke a déclaré que ce perfectionnement de la technologie pour obtenir des données en temps réel pourrait éventuellement permettre aux fabricants de médicaments d’adapter les options et les doses de traitement.
« Disons qu’un bébé souffre d’une maladie qui doit être traitée de toute urgence, comme un cancer. Vous voulez que ce médicament traverse très rapidement les membranes. Si une mère a une maladie, [clinicians] vous ne voulez pas que ce bébé contracte cette maladie, vous voulez donc que ce médicament traverse lentement les membranes.
Depuis qu’elle a commencé à travailler sur le placenta sur puce, Hashemi est ravie de voir une jeune génération de scientifiques s’intéresser à l’étude de la santé des femmes en général.
Mais Kim a noté qu’il n’y a pas eu beaucoup de progrès dans le développement de médicaments pour la santé et les maladies des femmes, en particulier celles qui affectent l’appareil reproducteur – précisément parce qu’il est difficile d’étudier la biologie du système reproducteur, son comportement et ses maladies. noté. Les technologies ex vivo comme le placenta sur puce répondent directement à ce problème.
Lors de son test initial de son modèle de placenta sur puce, Hashemi a déterminé qu’une quantité constante, bien que faible, de caféine se dirigeait vers le côté « fœtal » après en avoir introduit une quantité beaucoup plus importante du côté « maternel ». Même si elle ne dirait personnellement pas à une personne enceinte quelle quantité de caféine boire, Hashemi a déclaré qu’elle se limiterait à ses deux tasses de thé habituelles par jour.
2024-06-13 11:34:21
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