À l'intérieur du laboratoire de niveau de biosécurité 4 des Laboratoires nationaux des maladies infectieuses émergentes (NEIDL) à Boston, les chercheurs portent trois ensembles de gants et respirent l'air injecté dans les combinaisons lunaires à travers des tubes serpentins. Devant eux, sous un bouclier en plastique, se trouvent des cellules du sac pulmonaire humain développées à partir d'organoïdes, des taches de cellules qui imitent les organes.

Il est maintenant temps de les infecter avec le coronavirus.

Ce qui se passera ensuite pourrait faire la lumière sur les effets étranges et mortels de Covid-19 – parce que ce n'est pas seulement le virus qui compte, mais la réaction du corps à lui. Les gens meurent de cette réaction, et les organoïdes pourraient aider à déterminer où les dommages sont les plus graves. Des modèles cellulaires précis indiquent déjà comment le virus pénètre dans le corps, là où il cause le plus de dommages, et aideront dans la recherche de traitements.

De nombreux virologues travaillent avec des données informatiques, ou avec des virus de substitution dans lesquels ils branchent des parties du germe covid-19, ou parfois en infectant des réserves de cellules de singe dans lesquelles les virus aiment se développer. Mais ces substituts ne peuvent pas vous dire quel est le virus réel fait à des types de cellules humaines spécifiques. «Si vous travaillez avec la vraie chose, vous obtenez de vrais résultats», explique Elke Mühlberger, microbiologiste à NEIDL, qui est opéré par l'Université de Boston. "Si vous êtes intéressé par la réponse de l'hôte, alors les substituts ne sont d'aucune utilité."

BSL4 Lab
Des chercheurs de l'Université de Boston travaillent avec des virus mortels dans un laboratoire de niveau de biosécurité 4.
NEIDL

L'un des domaines où la recherche sur les tissus pulmonaires humains fabriqués en laboratoire pourrait porter ses fruits est le test des médicaments covid-19. Avant d'essayer tout médicament antiviral potentiel sur des personnes, les chercheurs testent leur efficacité à bloquer le virus en laboratoire. Mais après des années d'adaptation à une boîte de Pétri, les cellules de laboratoire standard sont loin d'être normales. "Ils ont perdu leur capacité d'agir comme poumon ou foie, ils ne répondent pas à l'interféron – ils sont très différents de la réalité", explique Mühlberger. "Ils ne font pas grand-chose d'autre que d'être infectés."

Les cellules des organoïdes sont différentes.

Petits organes

Les organoïdes sont des mini-tissus complexes créés à partir de cellules souches. Ces cellules maîtresses sont autorisées à se multiplier et à s'auto-organiser jusqu'à ce qu'elles finissent par créer de minuscules amas qui peuvent avoir la composition et les fonctions cellulaires de base d'un véritable organe. Il y a des mini-tripes avec des rides délicates, des taches cérébrales qui émettent des ondes EEG et des structures qui ressemblent étonnamment à de vrais embryons.

Cellules pulmonaires humaines se développant sous forme d'organoïdes tridimensionnels. Les cellules de ces «alvéolosphères» sont infectées par le virus qui cause covid-19 pour aider les chercheurs à comprendre comment il tue.

Les organoïdes ont fait leurs débuts en tant que solutionneur de virus lors de l'épidémie de Zika, lorsque l'infection de minuscules cerveaux de laboratoire a montré que le virus avait une préférence pour les jeunes neurones en développement. Cela a permis d'expliquer pourquoi le germe transmis par les moustiques causait une anomalie congénitale, une microcéphalie, chez certains nouveau-nés brésiliens.

Les organoïdes peuvent également aider les chercheurs à étudier les virus animaux qu'ils n'ont pas encore bien examinés, car ils se sont révélés difficiles à cultiver en laboratoire. En mai, des scientifiques de Hong Kong ont cultivé des mini-boyaux à partir de chauves-souris en fer à cheval, l'espèce même considérée comme la racine de l'épidémie de Covid-19, qui abrite des milliers de virus dont nous ne savons pas encore grand-chose.

Cellules pulmonaires

La recherche à Boston utilise des tissus pulmonaires créés dans plusieurs laboratoires de la région, y compris certains qui correspondent à des parties des alvéoles, les sacs aériens gonflés qui échangent de l'oxygène dans les poumons et qui sont submergés dans les cas graves de covid-19.

Finn Hawkins, qui dirige l'un des laboratoires d'organoïdes, est un pneumologue qui vient de terminer un séjour dans une unité de soins intensifs s'occupant de patients covid-19. «Je n'ai jamais rien vu de tel», dit-il. «Pour moi, la chose la plus frappante est la mesure dans laquelle elle provoque des lésions pulmonaires graves chez certains patients. Ce n'est pas comme Ebola, où tout le monde tombe malade. "

Les cas graves se débattent avec les mêmes symptômes mystérieux. Les patients sous respirateurs sont censés être sevrés. Au lieu de cela, certains sont saisis par une «tempête de cytokines», une réponse inflammatoire incontrôlable, associée à une fièvre qui ne se brisera pas. Ce qui tue la plupart des patients de Covid-19, c'est qu'ils en arrivent à ne plus pouvoir respirer. «Leurs marqueurs montent; ils ont besoin d'oxygène. L'aggravation soudaine – c'est quelque chose que je n'ai jamais vu auparavant et que je revois encore et encore », explique Hawkins. "Vous commencez à vous demander ce qui se passe, ce qui entraîne l'aggravation."

Hawkins dit que l'approvisionnement en cellules respiratoires et pulmonaires spécifiques pourrait répondre à deux questions: premièrement, quelles cellules laissent le virus pénétrer dans le corps, et deuxièmement, qui sont la clé des effets dévastateurs. Combinez des cellules pulmonaires dérivées de cellules souches avec la capacité de séquencer et de suivre des molécules à l'intérieur de cellules individuelles et le résultat est «une résolution incroyable», dit-il. «Vous pouvez obtenir des informations autrement impossibles à obtenir.»

Pour voir quelles cellules sont les plus sensibles, par exemple, une équipe de Caroline du Nord a utilisé des feuilles de cellules des voies respiratoires humaines pour former des couches se développant entre le liquide et l'air. Ils ont déterminé que les cellules ciliées – dont les poils flous, ondulant comme des frondes sur une anémone de mer, déplacent le flegme vers le haut et vers l'extérieur – avaient les niveaux élevés d'ACE-2, le récepteur cellulaire humain que le virus saisit. Leurs résultats ont montré que le nez était l'endroit le plus probable où le virus pénètre.

Ces informations peuvent être utilisées par les scientifiques pour trouver des défenses virales. Une vidéo sur YouTube a suggéré de façonner un nez anti-coronavirus plus proche d'un trombone. Si le virus pénètre dans le nez, ce n'est pas une idée complètement folle. «Si vous pouvez comprendre quels types sont infectés et comment, alors vous pouvez trouver des stratégies pour bloquer ou atténuer cela», explique Hawkins.

La prochaine question pour les modèles pulmonaires sera de déterminer comment certains types de cellules réagissent à l'infection. «Nous soupçonnons que le virus déclenche quelque chose. Ce que nous voulons vraiment voir, c'est: lorsqu'un virus pénètre dans une cellule, quelles sont les conséquences en aval? » dit Hawkins. Certains médecins pensent que les dommages au système d'échange de gaz des poumons, les alvéoles, entraînent la mort. Les cellules du sac gonflable qui échangent de l'oxygène sont grandes et minces, presque comme les voiles d'un yacht. Mais le vrai problème pourrait résider avec les cellules de «type 2» dont le travail consiste à fabriquer du surfactant, une substance qui réduit la tension superficielle pour laisser les sacs aériens ouverts.

Les cellules pulmonaires s'allument en vert après avoir été infectées par le coronavirus, SARS-CoV-2.
KOTTON LAB

«Si vous regardez les autopsies, les cellules de type 2 sont très gravement endommagées. Nous savons qu'ils sont infectés par le virus. C'est le type de cellule clé pour comprendre ce qui tue ces patients », explique Hawkins. "Vous obtenez des alvéoles complètement fermées, et c'est ce qui cause des problèmes d'oxygénation. Lorsque le patient se retrouve sur les respirateurs, il est très difficile de fournir la bonne pression et de sauver ces poumons malades qui fuient. »

Regarder les cellules mourir

Alors que Hawkins s'occupe des patients dans les services, Jessie Huang, postdoctorante au laboratoire de l'Université de Boston de Darrell Kotton, fabrique des cellules de type 2 à l'aide d'organoïdes et les envoie à travers le pays et le monde. Les cellules alvéolaires des patients ne sont pas faciles à cultiver, mais les laboratoires de Boston ont trouvé comment les générer, et elles peuvent fabriquer un type d'organoïde appelé alvéolosphère.

Ces cellules sont transportées vers les laboratoires sécurisés de la ville. «Notre rôle est super simple. Nous ajoutons simplement le virus », explique Mühlberger.

Alors, que se passe-t-il après avoir donné des cellules pulmonaires à Covid-19? Mühlberger dit qu'elle ajoute du liquide avec «une infime quantité de virus» pour que l'infection s'installe. En quelques jours, les noyaux des cellules semblent fragmentés et certains se détachent et flottent. "Vous voyez que les cellules ne fonctionnent pas si bien", dit-elle. "Nous pensons que le virus tue directement les cellules, mais nous ne savons pas vraiment." Ce pourrait être la surproduction de cytokines et de chimiokines, types de molécules inflammatoires.

Mühlberger pense que les organoïdes peuvent également donner une meilleure idée des médicaments qui empêcheront le virus de se reproduire. Un composé qui a stoppé le virus dans les cellules de singe n'a pas du tout aidé les cellules pulmonaires, dit-elle. Elle ajoute: «Nous pensons que les organoïdes ont une réponse totalement différente au virus, et les médicaments pourraient également agir différemment.»

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