À CHAQUE INSPIRATION, l’air entre dans les poumons, et emplit 300 millions d’alvéoles. À ce niveau, à travers l’interface alvéolo-capillaire, ont lieu les échanges gazeux : passage d’O2 dans les capillaires pulmonaires, expulsion du CO2 des capillaires vers les alvéoles. Cette interface est composée d’une monocouche de cellules épithéliales capillaires, d’une membrane flexible, d’une monocouche de cellules endothéliales capillaires. Au rythme de la respiration cette interface s’étire, se contracte. Elle est capable de reconnaître « des envahisseurs » comme les bactéries ou les toxines inhalées et de déclencher une réponse immunitaire.
Pour créer le dispositif « poumon sur une puce », les chercheurs ont utilisé des techniques de microfabrication. Ils ont ainsi créé au sein d’un matériau caoutchouteux transparent, une sorte de petite gomme, deux microcanaux apposés l’un à l’autre, séparés par une fine membrane de silicone. D’un côté, cette membrane est tapissée de cellules épithéliales alvéolaires, de l’autre de cellules endothéliales microvasculaires pulmonaires. Dans le « compartiment épithélial alvéolaire », de l’air est délivré ; dans le « compartiment endothélial », un milieu de culture adapté simule le sang. La reproduction des mouvements respiratoires, l’étirement des alvéoles et la distorsion mécanique de l’interface, est réalisée grâce à l’incorporation dans le dispositif de deux microchambres latérales plus larges où le vide est créé de façon cyclique au moyen d’une pompe contrôlée par ordinateur. Le vide entraîne l’étirement de la membrane de silicone et des couches cellulaires adhérentes, quand celui-ci est relâché, la membrane retrouve sa position initiale. Le dispositif entier mesure 1 à 2 cm de long et la largeur des canaux centraux n’excèdent pas quelques millimètres.
Bactéries inhalées
Pour vérifier si ce dispositif reproduisait les réponses naturelles du poumon à des corps étrangers, les scientifiques ont introduit successivement dans le compartiment aérien des bactéries inhalées (E. coli), des nanoparticules, et ont fait circuler des globules blancs dans le compartiment microvasculaire. Conséquences : les bactéries ont été détectées et à travers la membrane poreuse ont activé les cellules endothéliales déclenchant une réponse immune, entraînant le passage des globules blancs dans le compartiment aérien et la destruction des bactéries. Quant aux nanoparticules, elles pénétraient dans les cellules épithéliales, entraînant la production de radicaux libres et l’induction d’une inflammation. Un nombre important de nanoparticules passait dans le compartiment sanguin. Les chercheurs ont ainsi découvert que la respiration mécanique accentuait leur absorption, ce qui a été vérifié chez la souris. Grâce à ce modèle, on a appris que la respiration augmente l’absorption des nanoparticules et joue donc un rôle important dans l’induction de leur toxicité.
Ce dispositif, qui pourrait être élargi à d’autres modèles d’organes, pourrait être des alternatives peu coûteuses aux études animales et cliniques pour la prospection médicamenteuse et les études de toxicologie.
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