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Des particules d'hydrogel mimant les globules rouges ont été fabriquées par un laboratoire américain. Leur grande flexibilité les rend capables de circuler dans les vaisseaux sanguins les plus petits, propriété qui leur ouvre de nombreuses portes pour leur utilisation en médecine.
La création de sang artificiel serait une stratégie de remplacement idéal du sang humain. Plus de pénurie de sang, aucun danger d’incompatibilité ni de contamination de bactéries ou de virus lors des transfusions… Le problème est que le sang artificiel est encore loin d’être au point aujourd’hui. Des avancées publiées dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) permettent toutefois de faire un pas de plus vers cette utopie.
Les scientifiques de l’université de Caroline du Nord à Chapel Hill pensent avoir trouvé un bon candidat de remplacement des globules rouges. Dans le sang, ces cellules sont responsables du transport de l’oxygène vers les organes pour assurer leur respiration, et du dioxyde de carbone vers les poumons où il est évacué. Elles ont la particularité d’être petites, sans noyau, aplaties et surtout très flexibles. Elles sont en effet capables de s’écraser pour passer dans les plus fins vaisseaux sanguins du corps humain, les capillaires, dont le diamètre (5 à 10 micromètres) est parfois plus fin que le diamètre des cellules elles-mêmes (8 micromètres).
Lorsqu’ils atteignent un âge avancé (environ 120 jours), les globules rouges perdent de leur flexibilité, ce qui les empêche de passer par ces étroits vaisseaux et cause leur évincement du système circulatoire par la rate. Des globules rouges artificiels avaient déjà été créés, mais leur rigidité les soumettait à une élimination rapide et à un temps de circulation trop court pour qu’ils soient vraiment utilisables.
Fabrication des particules par moulage
Ces scientifiques ont utilisé la technique de Print (Particle replication in non-wetting templates) pour recréer des globules rouges artificiels. Print, développée dans le laboratoire de Joseph DeSimone, est une technologie de micromoulage, qui permet la fabrication de particules d'hydrogel dont la forme, la taille, la composition et la fonctionnalité de surface sont précisément contrôlées.
Des globules rouges en hydrogel sont obtenus par micromoulage (A). Différentes concentrations en cross-linker induisent des particules d'hydrogel de même forme mais plus ou moins flexibles (B, C, D, E). © PNAS
Les globules rouges factices ont donc été obtenus grâce à un procédé qui ressemble à la fabrication de muffins. Un moule (en fluoropolymère élastomérique) comprenant des puits (en forme de disques) est rempli d’une pâte (mixture en prépolymère) dont le surplus est raclé. Sous la chaleur du four (photochimie), la pâte durcit (formation de liaisons chimiques) pour former des muffins (particules d’hydrogel) qui peuvent ensuite être démoulés.
Les particules d’hydrogel ainsi formées possèdent donc une forme et une taille (5 à 6 micromètres de diamètre pour 1,2 à 1,5 micromètre d’épaisseur) très similaires à celles des globules rouges de souris, et plusieurs niveaux de flexibilité leur ont été donnés (en fonction du pourcentage de « cross-linker » ajouté dans le prépolymère). Leur flexibilité a ensuite été observée in vitro, en utilisant des outils de microfluidique. Si les particules les moins flexibles restent coincées devant un canal de 3 micromètres de large, les plus flexibles (au pourcentage de cross-linker le plus bas), elles, réussissent l’exploit de passer au travers. La première étape est donc une réussite.
Des tests réussis, des promesses à tenir
Injectées dans la circulation sanguine de souris, les particules d’hydrogel sont tout aussi prometteuses. L’observation, au niveau de l’oreille des souris, des particules qui possèdent la propriété de fluorescer dans le proche infrarouge permet de constater que les particules circulent efficacement dans les vaisseaux et que les plus flexibles y persistent 30 fois plus longtemps (93,29 heures) que les plus rigides (2,88 heures).
Le sacrifice de souris et l’analyse de leurs organes chez lesquelles les particules ont été injectées par intraveineuse montrent que les particules les moins flexibles sont piégées dans les poumons, la première microvasculature rencontrée. Au contraire, les particules les plus flexibles ne sont piégées ni dans les poumons, ni dans le foie, évitant son éventuelle intoxication.
L’ensemble de ces données permet d’espérer l’utilisation de ces particules pour la fabrication de sang artificiel, mais également pour délivrer spécifiquement des médicaments anticancéreux dans des zones de l’organisme habituellement peu accessibles, tout en ayant une toxicité limitée, ce qui reste à vérifier. Il n’est pas exclu que ces particules soient également employées pour attraper et éliminer des substances dangereuses de la circulation sanguine, comme le cholestérol.
La création de sang artificiel serait une stratégie de remplacement idéal du sang humain. Plus de pénurie de sang, aucun danger d’incompatibilité ni de contamination de bactéries ou de virus lors des transfusions… Le problème est que le sang artificiel est encore loin d’être au point aujourd’hui. Des avancées publiées dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) permettent toutefois de faire un pas de plus vers cette utopie.
Les scientifiques de l’université de Caroline du Nord à Chapel Hill pensent avoir trouvé un bon candidat de remplacement des globules rouges. Dans le sang, ces cellules sont responsables du transport de l’oxygène vers les organes pour assurer leur respiration, et du dioxyde de carbone vers les poumons où il est évacué. Elles ont la particularité d’être petites, sans noyau, aplaties et surtout très flexibles. Elles sont en effet capables de s’écraser pour passer dans les plus fins vaisseaux sanguins du corps humain, les capillaires, dont le diamètre (5 à 10 micromètres) est parfois plus fin que le diamètre des cellules elles-mêmes (8 micromètres).
Lorsqu’ils atteignent un âge avancé (environ 120 jours), les globules rouges perdent de leur flexibilité, ce qui les empêche de passer par ces étroits vaisseaux et cause leur évincement du système circulatoire par la rate. Des globules rouges artificiels avaient déjà été créés, mais leur rigidité les soumettait à une élimination rapide et à un temps de circulation trop court pour qu’ils soient vraiment utilisables.
Fabrication des particules par moulage
Ces scientifiques ont utilisé la technique de Print (Particle replication in non-wetting templates) pour recréer des globules rouges artificiels. Print, développée dans le laboratoire de Joseph DeSimone, est une technologie de micromoulage, qui permet la fabrication de particules d'hydrogel dont la forme, la taille, la composition et la fonctionnalité de surface sont précisément contrôlées.
Des globules rouges en hydrogel sont obtenus par micromoulage (A). Différentes concentrations en cross-linker induisent des particules d'hydrogel de même forme mais plus ou moins flexibles (B, C, D, E). © PNAS
Les globules rouges factices ont donc été obtenus grâce à un procédé qui ressemble à la fabrication de muffins. Un moule (en fluoropolymère élastomérique) comprenant des puits (en forme de disques) est rempli d’une pâte (mixture en prépolymère) dont le surplus est raclé. Sous la chaleur du four (photochimie), la pâte durcit (formation de liaisons chimiques) pour former des muffins (particules d’hydrogel) qui peuvent ensuite être démoulés.
Les particules d’hydrogel ainsi formées possèdent donc une forme et une taille (5 à 6 micromètres de diamètre pour 1,2 à 1,5 micromètre d’épaisseur) très similaires à celles des globules rouges de souris, et plusieurs niveaux de flexibilité leur ont été donnés (en fonction du pourcentage de « cross-linker » ajouté dans le prépolymère). Leur flexibilité a ensuite été observée in vitro, en utilisant des outils de microfluidique. Si les particules les moins flexibles restent coincées devant un canal de 3 micromètres de large, les plus flexibles (au pourcentage de cross-linker le plus bas), elles, réussissent l’exploit de passer au travers. La première étape est donc une réussite.
Des tests réussis, des promesses à tenir
Injectées dans la circulation sanguine de souris, les particules d’hydrogel sont tout aussi prometteuses. L’observation, au niveau de l’oreille des souris, des particules qui possèdent la propriété de fluorescer dans le proche infrarouge permet de constater que les particules circulent efficacement dans les vaisseaux et que les plus flexibles y persistent 30 fois plus longtemps (93,29 heures) que les plus rigides (2,88 heures).
Le sacrifice de souris et l’analyse de leurs organes chez lesquelles les particules ont été injectées par intraveineuse montrent que les particules les moins flexibles sont piégées dans les poumons, la première microvasculature rencontrée. Au contraire, les particules les plus flexibles ne sont piégées ni dans les poumons, ni dans le foie, évitant son éventuelle intoxication.
L’ensemble de ces données permet d’espérer l’utilisation de ces particules pour la fabrication de sang artificiel, mais également pour délivrer spécifiquement des médicaments anticancéreux dans des zones de l’organisme habituellement peu accessibles, tout en ayant une toxicité limitée, ce qui reste à vérifier. Il n’est pas exclu que ces particules soient également employées pour attraper et éliminer des substances dangereuses de la circulation sanguine, comme le cholestérol.