Le muscle-sur-puce d'une voie aérienne simule l'asthme chez les humains


Le muscle-sur-puce d'une voie aérienne simule l'asthme chez les humains

Des chercheurs de l'Université de Harvard à Cambridge, MA, ont développé un modèle qu'ils disent simuler de manière précise la contraction musculaire dans les voies aériennes humaines, fournissant un outil pour tester de nouveaux médicaments pour traiter l'asthme.

Les chercheurs disent que leur muscle-sur-puce de la voie aérienne imite efficacement la contraction musculaire dans les voies aériennes humaines, offrant un outil pour tester de nouveaux médicaments pour traiter l'asthme.

Crédit d'image: Wyss Institute et Harvard SEAS

L'équipe de recherche, dirigée par Alexander Peyton Nesmith, étudiante à la Faculté d'Ingénierie et Sciences Appliquées d'Harvard, publie les détails de leur création dans le journal Lab on a Chip .

L'asthme affecte plus de 300 millions de personnes dans le monde et est responsable d'environ 250 000 morts par an. C'est aussi une cause majeure de visites dans les salles d'urgence et d'hospitalisation chez les enfants.

Il existe un certain nombre de médicaments qui peuvent aider les asthmatiques à gérer leur état, tels que les corticostéroïdes inhalés et les bêta-agonistes. Mais selon les chercheurs, bon nombre de ces médicaments ont plus de 50 ans. Au cours des 30 dernières années, la Food and Drug Administration (FDA) n'a approuvé que deux nouveaux médicaments pour traiter l'asthme.

"Malheureusement, de nombreux patients restent résistants à ces traitements et présentent un risque accru d'exacerbation", disent les chercheurs. "Cela suggère un besoin urgent d'accélérer le pipeline pour la découverte et la validation des drogues des voies aériennes".

Nesmith et son équipe notent cependant que trouver de nouveaux traitements pour l'asthme est difficile. Les nouveaux candidats aux médicaments sont généralement testés dans des modèles animaux, mais ces modèles peuvent ne pas imiter les réponses humaines, de sorte que les médicaments échouent souvent dans les essais cliniques. En outre, parce que la maladie est spécifique à chaque patient, les traitements qui fonctionnent pour un individu peuvent ne pas nécessairement fonctionner pour un autre.

"Par conséquent," ont-ils cherché à développer un modèle robuste, fonctionnel et humain qui peut être utilisé pour le dépistage de nouvelles thérapies contre l'asthme ".

Un «moyen simple, fiable et direct» pour mesurer la réponse humaine aux déclencheurs d'asthme

La voie respiratoire humaine est constituée de couches de muscle lisse qui se contractent et se détendent pour diminuer, puis augmentent leur diamètre.

  • L'asthme touche 1 personne sur 12 aux États-Unis
  • En 2008, plus de 50% des personnes souffrant d'asthme ont eu une crise d'asthme
  • Entre 2008 et 2010, la prévalence de l'asthme était plus élevée chez les enfants que chez les adultes.

En savoir plus sur l'asthme

L'équipe a construit ce qu'elle décrit comme une "puce musculaire de l'air" montée sur un substrat en verre.

La puce est constituée de films minces musculaires lisses et bronchiques humains (bMTF). Il s'agit d'une couche inférieure de polymère élastique polydiméthylsiloxane (PDMS) et d'une couche supérieure de muscle lisse bronchique artificiel. "Lorsque la couche musculaire se contracte, le bMTF se penche, réduisant le rayon de courbure du tissu", expliquent les chercheurs.

Pour tester l'efficacité du modèle, ils ont introduit une protéine appelée interleukine-13 (IL-13), qui se trouve couramment dans la voie aérienne des patients souffrant d'asthme. Il est connu de déclencher la réponse du muscle lisse aux allergènes. L'équipe a ensuite ajouté un neurotransmetteur appelé acétylcholine, qui provoque une contraction du muscle lisse, pour induire une réponse allergique.

Ils ont constaté que des doses élevées d'acétylcholine ont provoqué l'hypercontraction du muscle de la voie aérienne sur la puce. Lorsque l'équipe a introduit des bêta-agonistes à la puce - utilisé dans les inhalateurs pour réduire l'inflammation des voies aériennes - le muscle de la voie respiratoire se détend.

Les chercheurs notent qu'ils ont pu mesurer le stress contractile du tissu musculaire en réponse à différentes doses de médicaments. "Notre puce offre un moyen simple, fiable et direct de mesurer les réponses humaines à un déclencheur d'asthme", explique Nesmith.

Étude des réponses cellulaires et protéiniques à l'IL-13

Selon les chercheurs, l'épaississement du muscle lisse bronchique dans la paroi des voies aériennes est une caractéristique structurelle de l'asthme, ce qui amène les voies respiratoires à se réduire. À l'aide de la puce musculaire de l'air, l'équipe voulait voir si l'IL-13 induit une telle réponse au niveau cellulaire.

Ils ont constaté que l'IL-13 provoquait une augmentation des cellules musculaires lisses et, en plus, modifiait l'organisation des fibres d'actine dans ces cellules - composants cellulaires qui jouent un rôle dans la contraction musculaire.

L'équipe a ensuite voulu voir comment IL-13 a modifié l'expression des protéines RhoA. Des recherches antérieures indiquent que ces protéines sont impliquées dans la régulation de la contraction des muscles lisses bronchiques, mais le mécanisme sous-jacent n'a pas été clair.

Après avoir introduit un médicament qui cible la voie RhoA, appelée HA1077, les chercheurs ont constaté qu'il a fabriqué le tissu sur la puce qui a été exposée à IL-13 moins sensible aux déclencheurs d'asthme. "Ce résultat indique que HA1077 diminue le ton basal de notre bronchique artificielle Tissus musculaires lisses et prévient l'hypercontraction ", explique l'équipe.

Une étude plus approfondie a révélé que HA1077 combiné avec un médicament anti-asthme déjà existant, l'isoprotérénol, était plus efficace pour réduire la réponse aux déclencheurs d'asthme que l'isoproterenol seul. Cela signifie que la puce musculaire des voies aériennes a déjà été prometteuse pour identifier un nouveau traitement potentiel contre l'asthme.

Commentant la création de l'équipe, Donald Ingber, professeur ou bioingénierie à la Harvard's School of Engineering and Applied Sciences et directeur fondateur de l'Institut Wyss à l'université, déclare:

L'asthme est l'une des principales raisons pour les voyages à la salle d'urgence, en particulier pour les enfants, et un large segment de la population asthmatique ne répond pas aux traitements actuellement disponibles.

Le muscle-on-a-chip de la voie aérienne constitue un nouvel outil important et passionnant pour découvrir de nouveaux agents thérapeutiques."

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