Dans la revue Communication Nature, les chercheurs décrivent comment ils ont construit leur modèle ; infecté ses plaques de peau humaine cultivées en laboratoire ; comment la peau infectée a provoqué une réponse des cellules immunitaires humaines ; et comment l’infection herpétique a été supprimée par l’acyclovir, un médicament antiviral couramment prescrit.
L’appareil a déjà fourni un indice important sur l’infection par l’herpès humain. L’équipe de Zhu a remarqué que les cellules de la couche inférieure des cellules cutanées en développement – appelées kératinocytes basaux – étaient de loin les plus susceptibles d’envahir les particules de HSV-1 au cours des expériences. Ils ont également découvert que les cellules infectées dans le dispositif skin-on-chip déclenchaient une alarme chimique (une protéine cytokine appelée IL-8) qui attire un type de cellule immunitaire appelée neutrophiles.
Un meilleur modèle que les souris pour la maladie humaine ?
Premiers intervenants aux infections, les neutrophiles étaient connus pour inonder la peau infectée par l’herpès et aider à supprimer le virus, mais le rôle de l’IL-8 a été une surprise. Cela pourrait être dû au fait que la plupart des recherches en laboratoire sur l’herpès sont menées sur des souris – qui ne produisent pas d’IL-8 humaine.
Lorsque les chercheurs ont introduit des neutrophiles dans la grille des vaisseaux sanguins de leur appareil, les cellules immunitaires ont répondu à l’infection par le HSV en se précipitant vers les kératinocytes infectés, les dévorant littéralement. Il s’agissait d’une validation importante que ce modèle de peau sur puce imitait le comportement de défense immunitaire de la peau humaine tel qu’observé chez les patients.
Trouver des modèles de maladies humaines à tester à grande échelle dans un laboratoire est un défi de longue date en biologie. Les études sur la souris sont des modèles précieux mais imparfaits pour les maladies humaines. Il est difficile de tester des tissus humains vivants à partir de biopsies, car ces tissus ne vivent pas longtemps.
Lorsque les kératinocytes sont simplement cultivés dans une boîte de laboratoire, ils produisent une couche uniforme de cellules cutanées. Zhu appelle ce tissu 2D, ou bidimensionnel. Elle décrit sa plate-forme skin-on-chip comme 3D, car les cellules immatures de la peau se différencient et mûrissent en plusieurs couches.
Le tissu multicouche de la puce est tout aussi épais que la peau tendre ciblée par l’herpès chez les patients. Il semble imiter non seulement la structure de la peau humaine, mais aussi sa biologie.
“Chaque fois que nous avons infecté des cultures de tissus 2D, nous n’avons pas détecté d’IL-8. Encore une fois, c’était inattendu », a-t-elle déclaré. “Avec ce système, vous pouvez vraiment tester quelles cytokines sont à l’œuvre.”
Cinq ans de préparation
L’étude récemment publiée est le premier rapport sur l’appareil, que l’équipe de Fred Hutch développe et teste depuis cinq ans. L’auteur principal, le Dr Sijie Sun, a travaillé sur le projet en tant que stagiaire postdoctoral encadré par Zhu, mais est rentré chez lui en Chine après l’épidémie de COVID-19.
Alors que les scientifiques élaborent des méthodes de croissance de la peau humaine pour la recherche en laboratoire depuis les années 1980, l’approche de Zhu est différente. Un exemple est la structure 3D, qui ressemble étroitement à l’architecture multicouche de la peau humaine. L’appareil est également conçu pour être placé au-dessus de l’objectif d’un microscope puissant, afin que les activités en temps réel des cellules vivantes puissent être observées.
Son innovation la plus importante est peut-être la grille de vaisseaux sanguins, à travers laquelle l’oxygène et le CO2 sont transportés à l’intérieur et à l’extérieur et à travers lesquels les cellules immunitaires humaines et les microdoses de médicaments peuvent circuler. Les cavités minuscules de la grille de tuyaux vivants ont d’abord été estampées dans un bloc de protéine de collagène semblable à un gel. Il se raidit puis se remplit de cellules endothéliales humaines, qui procèdent à l’auto-assemblage. Ils tapissent les cavités et deviennent un réseau de vaisseaux sanguins vivants et fonctionnels.
Ce réseau a été mis à l’épreuve lorsque diverses concentrations de l’acyclovir, un médicament antiviral contre l’herpès, ont été administrées par les vaisseaux.
“Vous pouvez tester un médicament et faire une analyse quantitative, comme quelle concentration fonctionne le mieux”, a déclaré Zhu.
Une autre voie vers la thérapie de précision
À l’aide de microscopes et de protéines conçues pour s’éclairer dans les cellules infectées, son équipe a vu comment le tissu répondait bien au médicament lorsqu’il était administré tôt après l’infection. Mais le médicament est moins efficace s’il est administré un jour plus tard, tout comme il le fait chez les patients traités par un traitement suppressif.
Zhu a déclaré que son objectif était d’élargir les types de cellules immunitaires qui peuvent être testées via le dispositif peau sur puce – y compris les cellules T anti-infectieuses qui se logent dans les tissus pour surveiller et répondre à la réactivation du virus de l’herpès. Pour que ce modèle fonctionne, les cellules ensemencées de la peau et des vaisseaux sanguins cultivées dans l’appareil doivent provenir de la même personne fournissant les cellules T – sinon ces cellules immunitaires pourraient attaquer la peau cultivée en laboratoire comme s’il s’agissait d’un tissu étranger, comme une inadéquation entre le donneur et le receveur dans une greffe d’organe.
Son équipe envisage un moment où les thérapies potentielles contre l’herpès pourraient être testées via l’appareil en le personnalisant pour chaque patient – en l’ensemençant avec des kératinocytes et des cellules immunitaires d’un individu qui souffre peut-être plus que d’autres d’infections récurrentes.
Les doses correctes et la bonne combinaison de thérapies pourraient être déterminées en utilisant la propre peau sur puce de cette personne. C’est une autre voie vers une thérapie de précision, adaptée à chaque patient.
“Nous avons tous des cellules différentes”, a déclaré Zhu. « Nous pouvons les obtenir et les cultiver. Nous pouvons fabriquer différentes puces et nous pouvons les comparer. C’est de la recherche médicale personnalisée.
Cette recherche a été financée par des subventions des National Institutes of Health.
