Des chercheurs de l’Université Northwestern ont développé un dispositif, financé par la DARPA, qui produit de l’oxygène pour maintenir les cellules en vie au sein d’une « pharmacie vivante » implantable. Cette pharmacie a pour objectif de produire de manière autonome des thérapeutiques permettant de réguler les cycles veille/sommeil.
Un nouveau dispositif pourrait améliorer les résultats des thérapies cellulaires.
- Les thérapies cellulaires sont prometteuses pour l’administration de médicaments, le remplacement des tissus endommagés, l’exploitation des mécanismes de guérison du corps, etc.
- Mais maintenir les cellules en vie pour produire des thérapies reste un défi
- Les chercheurs ont utilisé une version intelligente et économe en énergie de la division de l’eau pour produire de l’oxygène pour ces cellules
- Une nouvelle approche maintient les cellules in vitro et in vivo, prometteuse pour les applications aiguës et chroniques
Percée en génie biomédical
En 2021, un Université du nord-ouest-l’équipe de recherche dirigée par a reçu une Agence de Projets de Recherche Avancée de Défense (DARPA) contrat d’une valeur pouvant atteindre 33 millions de dollars pour développer une « pharmacie vivante » implantable permettant de contrôler les cycles veille/sommeil du corps humain. Aujourd’hui, les chercheurs ont franchi une étape majeure vers la réalisation de cet objectif.
Dans le cadre de nouveaux travaux, les chercheurs ont développé un nouveau dispositif qui produit de l’oxygène sur le site afin de maintenir les cellules en vie à l’intérieur de l’implant autonome. L’oxygène est un ingrédient majeur pour maintenir les cellules en vie – et prospères – pendant de plus longues périodes à l’intérieur de la pharmacie implantable. Parce que plus longtemps les cellules peuvent rester vivantes et en bonne santé, plus longtemps elles peuvent produire de manière autonome des médicaments pour le corps.
En utilisant l’électricité pour diviser l’eau dans laquelle baignent déjà les cellules, les chercheurs ont pu produire de l’oxygène tout en évitant la production de sous-produits nocifs comme le chlore ou le peroxyde d’hydrogène. Et en contrôlant la quantité d’électricité utilisée, les chercheurs pourraient modifier la quantité d’oxygène produite.
Progrès dans la viabilité cellulaire et le fonctionnement des appareils
Dans de nouvelles expériences, le nouveau dispositif (appelé « oxygénateur électrocatalytique sur site » ou « ecO2« ) ont maintenu les cellules (70 à 80%) en vie pendant près d’un mois dans des conditions de faible teneur en oxygène in vitro ou pendant des semaines in vivo. Sans éco2, seulement environ 20 % des cellules étaient vivantes après 10 jours, mais les chercheurs émettent l’hypothèse que les cellules perdraient leur capacité à sécréter des médicaments bien avant cela. Grâce aux progrès en matière d’alimentation et de communication sans fil, les chercheurs sont convaincus qu’un fonctionnement chronique sur plusieurs mois ou plus est à portée de main.
La recherche sera publiée aujourd’hui (9 novembre) dans la revue Communications naturelles.
Une comparaison côte à côte des cellules prises en charge par le dispositif d’oxygénation (à gauche) et des cellules sans le support du dispositif (à droite). Les cellules vivantes sont représentées en vert ; les cellules mortes sont en rouge. Crédit : Jonathan Rivnay/Université Northwestern
Impact potentiel sur les thérapies cellulaires
« Notre appareil peut être utilisé pour améliorer les résultats des thérapies cellulaires, qui utilisent des cellules biologiques pour traiter des maladies ou des blessures corporelles », a déclaré Jonathan Rivnay de Northwestern, qui a codirigé l’étude. « Les thérapies cellulaires pourraient être utilisées pour remplacer les tissus endommagés, pour administrer des médicaments ou pour augmenter les mécanismes de guérison du corps, ouvrant ainsi des opportunités dans la cicatrisation des plaies et dans le traitement de l’obésité, du diabète et du cancer, par exemple. La production d’oxygène sur place est essentielle pour bon nombre de ces thérapies cellulaires « biohybrides ». Nous avons besoin de nombreuses cellules pour produire suffisamment de produits thérapeutiques à partir de ces cellules, il existe donc une demande métabolique élevée. Notre approche intégrerait l’éco2 dispositif pour générer de l’oxygène à partir de l’eau elle-même.
Rivnay est professeur de génie biomédical et de science et génie des matériaux à la Northwestern’s École d’ingénierie McCormick et chercheur principal du projet NTRAIN (Normalizing Timing of Rhythms Across Internal Networks of Circadian Clocks), financé par la DARPA. Il a codirigé la nouvelle étude avec Tzahi Cohen-Karni, professeur de génie biomédical et de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université Carnegie Mellon (CMU). Les co-premiers auteurs de l’étude sont Abhijith Surendran de Northwestern et Inkyu Lee de CMU.
L’avenir de l’administration de médicaments implantables
À terme, l’objectif de la stratégie de « pharmacie vivante » implantable est de développer des dispositifs qui ne manquent jamais de médicaments. Ainsi, les gens n’auront plus jamais à se soucier de prendre leurs médicaments ou de s’injecter des produits thérapeutiques. Mais pour que cela fonctionne correctement, l’implant doit durer longtemps sans avoir besoin d’être rechargé.
Combinant la biologie synthétique avec la bioélectronique, Northwestern dirige une collaboration avec le professeur de génie biomédical de l’Université Rice, Omid Veiseh, pour produire les produits thérapeutiques sur place au sein de l’appareil. Maintenir en vie ces cellules modifiées est une étape cruciale dans le développement de ces dispositifs potentiellement vitaux. Bien que des recherches antérieures aient exploré des stratégies pour fournir de l’oxygène aux cellules, ces méthodes utilisaient un équipement volumineux peu pratique à utiliser à l’intérieur du corps humain.
« Certaines approches introduisent de l’oxygène gazeux provenant de l’extérieur du corps pour résoudre ce problème. Cela revient à utiliser une bouteille de plongée en plongée », a déclaré Surendran. «C’est volumineux. Vous devez le transporter avec vous. L’air peut s’épuiser et le risque d’embolie gazeuse est élevé.
Technique innovante de séparation de l’eau
Pour contourner le besoin d’équipement peu pratique, les chercheurs se sont tournés vers le fractionnement de l’eau, une stratégie populaire pour la conversion et le stockage de l’énergie. Par exemple, d’autres chercheurs ont exploré la division de l’eau en hydrogène et oxygène afin d’utiliser l’hydrogène comme carburant. Cependant, ces technologies se concentrent sur la division de l’eau dans des conditions alcalines ou acides. L’équipe de Rivnay, en revanche, s’intéresse davantage à la production d’oxygène dans des conditions comparables à celles du corps humain.
Le secret du nouvel éco de l’équipe2 Le dispositif est de l’oxyde d’iridium pulvérisé, un électrocatalyseur efficace qui a également été utilisé dans des applications biomédicales. À l’intérieur de l’appareil, les cellules vivent déjà dans un fluide composé d’eau, de sels et de nutriments. L’oxyde d’iridium aide à déclencher une réaction électrochimique à basse tension pour fournir de l’oxygène en utilisant l’eau déjà disponible dans les biofluides. L’électricité divise l’eau en hydrogène et oxygène.
« C’est aussi simple qu’une expérience de chimie 101 que nous avons tous faite étant enfants », a déclaré Rivnay. « Vous faites passer l’électricité à travers l’eau et des bulles se forment au niveau des métaux, et l’eau se divise en oxygène et en hydrogène. Nous le faisons, mais de manière plus intelligente. L’utilisation de matériaux uniques permet une production d’oxygène plus efficace et à faible consommation d’énergie. Et dans notre appareil, nous ne formons pas de bulles d’oxygène. Nous faisons fonctionner nos appareils dans des conditions où l’oxygène généré est dissous dans l’eau, sans bulles.
Expérimentation et applications
Dans les expériences, ecO2 a généré suffisamment d’oxygène pour maintenir en vie des cellules densément peuplées (60 000 cellules par millimètre cube) dans des conditions hypoxiques. Ces résultats prouvent qu’ecO2 les dispositifs peuvent être facilement intégrés dans des plates-formes bioélectroniques, permettant des charges cellulaires élevées dans des dispositifs plus petits avec une large applicabilité.
Sans éco2les cellules de contrôle ont connu une disparition rapide.
« La densité cellulaire utilisée dans notre étude est environ six fois supérieure à la densité cellulaire moyenne des îlots pancréatiques rapportée dans la littérature », a déclaré Surendran. « La concentration normale d’oxygène dans le sang n’est pas suffisante pour maintenir leur viabilité pendant de longues périodes. Après la première semaine, 70 % des cellules des dispositifs de contrôle ont perdu leur fonctionnalité. Les 30 % restants ont mis environ 10 jours supplémentaires à perdre leurs fonctionnalités. »
Vers une application clinique
Ensuite, Rivnay et ses collaborateurs se concentreront sur le déploiement à long terme d’ecO2. Plus précisément, ils travaillent sur des matériaux hautement stables qui peuvent fonctionner à l’intérieur du corps pendant des mois – en utilisant éventuellement cette approche pour traiter des maladies chroniques.
« Nous pensons que cette technologie permettra une thérapie cellulaire plus petite et plus puissante et des appareils de thérapie cellulaire régulés », a déclaré Rivnay. « Notre objectif est de traduire cette technologie en clinique. Nous explorons actuellement divers modèles de maladies.
L’étude intitulée « Oxygénation électrocatalytique sur site pour les thérapies cellulaires transplantées » a été soutenue par la DARPA (numéro d’accord FA8650-21-1-7119).
