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Top 10 des choses fascinantes développées dans un laboratoire
Il ne fait aucun doute que la science a fait des percées incroyables au cours des 100 dernières années. Cela est particulièrement vrai en médecine et en génie biologique. Des vaccins qui sauvent des vies aux interventions chirurgicales révolutionnaires, la science a considérablement amélioré notre qualité de vie.
Pour progresser, les chercheurs doivent innover de nouvelles solutions aux problèmes de longue date. Derrière chaque découverte médicale se cache un laboratoire aux idées fascinantes. Parfois, ces expériences soulèvent des questions éthiques. Mais surtout, ce sont des approches intéressantes pour des problèmes embêtants.
Et quelle solution est plus créative que de créer quelque chose de nouveau dans un laboratoire? Voici 10 objets fascinants développés en laboratoire auxquels nous ne nous attendions peut-être pas.
10 os de porc
En 2016, des chercheurs aux États-Unis ont réussi à implanter des os de laboratoire dans 14 mini-porcs adultes du Yucatan. Aucun des porcs n'a rejeté les nouveaux organes après la chirurgie. Plutôt l'inverse. Les vaisseaux sanguins à l'intérieur des os développés en laboratoire se sont parfaitement intégrés dans les systèmes circulatoires préexistants des porcs.
Comment tout cela était-il possible?
Pour lancer le processus, les scientifiques ont examiné les os de la mâchoire des porcs et cartographié leurs structures. Ils ont ensuite créé des échafaudages sans cellules correspondants en os de vache. Ces structures ont été injectées avec les cellules souches du porc et trempées dans une solution riche en nutriments. Le résultat était entièrement fonctionnel, os vivant.
9 membres de rat
Des chercheurs de l'Hôpital général du Massachusetts ont annoncé la nouvelle en 2015 lorsqu'ils ont fait croître une patte de rat entière dans leur laboratoire. C'était le premier projet réussi de ce type au monde.
Les efforts ont été dirigés par le Dr Harold Ott, qui dirige également le laboratoire Ott pour le génie et la régénération des organes. Leur expérience a également entraîné le travail des tissus musculaires après seulement 16 jours.
Voici comment ils l'ont fait:
Le Dr Ott et son équipe ont pris un membre vivant du rat et en ont retiré toutes les cellules. Ce processus s'appelle décellularisation. Une fois que toutes les cellules vivantes ont été retirées, les scientifiques se sont retrouvés avec un cadre protéique pour le membre.
Ils ont ensuite injecté à cette structure des cellules vivantes qui formaient le tissu musculaire et les cellules sanguines en quelques semaines. Pour tester la fonctionnalité du membre développé en laboratoire, l'équipe a appliqué de petites charges électriques sur le tissu musculaire.
Le résultat? Les muscles du membre contractés exactement comme le feraient des organes naturellement développés.
8 hamburgers
Surnommé «schmeat», le premier hamburger au monde développé en laboratoire a fait ses débuts à Londres en 2013. Il a été créé aux Pays-Bas par le Dr Mark Post, professeur de physiologie vasculaire. Son objectif était de produire une viande qui ne provoque pas «de souffrances indues pour les animaux ni de dommages environnementaux», contrairement aux sources de viande traditionnelles. Le projet lui a pris cinq ans et 325 000 $.
Après son succès, Post a fondé Mosa Meats. D'autres entreprises ont également sauté sur l'occasion de produire leur propre viande en laboratoire. Memphis Meats, une start-up établie à San Francisco, a créé des boulettes de viande cultivées en laboratoire en 2016. Elles ont également fait pousser des lanières de poulet, une première mondiale.
Celles-ci ne seront toutefois disponibles au public qu'en 2021. Une autre société californienne, Hampton Creek, a dévoilé son intention de mettre la viande cultivée en laboratoire dans les rayons des magasins d'ici 2018.
7 embryons de porc humain
En Espagne et à La Jolla, en Californie, un groupe de scientifiques du Salk Institute a réussi à faire croître des cellules humaines dans un embryon de porc. Le but de la recherche est de développer éventuellement des organes humains entiers, qui seront utilisés pour des greffes, chez d’autres animaux. Les scientifiques de Salk ont déjà cultivé plusieurs organes de rat dans des embryons de souris. Mais cette recherche a soulevé certaines questions éthiques.
En 2015, les États-Unis ont cessé de financer la recherche interspécifique sur les chimères avec l'argent des contribuables. En génétique, une chimère est un phénomène naturel dans lequel un seul organisme possède deux ensembles d'ADN différents ou plus.
Mais une chimère interspécifique contient de l'ADN de deux espèces ou plus. Cela a suscité des inquiétudes quant à savoir si les porcs ou d'autres animaux implantés avec des cellules humaines développeront des fonctions cérébrales humaines.
Juan Carlos Izpisua Belmonte et son équipe ont déclaré vouloir "tester des moyens de concentrer les cellules humaines sur la fabrication de tissus spécifiques tout en évitant toute contribution au cerveau, au sperme ou aux ovules".
6 spermatozoïdes de souris
En 2016, des scientifiques de l'Institut de zoologie de l'Académie chinoise des sciences ont produit un sperme de souris viable à partir de cellules souches. Pour ce faire, ils ont extrait les cellules souches de souris et les ont introduites dans les cellules testiculaires de souris nouveau-nées.
Qi Zhou et Xiao-Yang Zhao, qui ont dirigé l'expérience, ont également exposé les cellules souches à plusieurs produits chimiques impliqués dans le développement du sperme. Cela inclut la testostérone, une hormone induisant la croissance du follicule et une hormone induisant la croissance de la glande pituitaire.
En deux semaines environ, les scientifiques avaient mis au point des spermatozoïdes entièrement fonctionnels. Ils ont implanté le sperme dans des œufs viables et transféré les zygotes à des souris femelles.
Neuf chiots de souris sont nés de cette expérience, dont certains se sont reproduits par la suite. Bien que toujours pas aussi efficace que l'insémination artificielle utilisant du sperme naturel (taux de réussite de 3% comparé à 9%), cette recherche est prometteuse pour les futurs traitements de fertilité.
5 cellules souches sanguines
Deux équipes distinctes de scientifiques ont développé de nouvelles approches pour créer des cellules souches du sang. Une équipe, basée à l'hôpital pour enfants de Boston, était dirigée par George Daley. Ce groupe a commencé avec des cellules de peau humaines et les a «reprogrammées» pour devenir des cellules iPS (souches pluripotentes induites). Une cellule iPS est une cellule souche universelle artificielle.
L'équipe de Daley a ensuite injecté aux cellules iPS des facteurs de transcription, gènes conçus pour contrôler d'autres gènes. Ensuite, les cellules iPS modifiées ont été implantées chez des souris pour se développer. (Si vous gardez une trace, cela rend ces chimères interspécifiques souris.)
Après 12 semaines, ces chercheurs avaient créé quelque chose qui n'était qu'un précurseur des cellules souches du sang. Mais la deuxième équipe a fait encore mieux.
Au Collège médical Weill Cornell, Shahin Rafii et son équipe ont sauté la création iPS. Au lieu de cela, ils ont prélevé des cellules de vaisseaux sanguins chez des souris adultes et leur ont injecté quatre facteurs de transcription. Ensuite, ils ont déplacé les cellules dans des boîtes de Pétri équipées pour recréer l'environnement dans un vaisseau sanguin humain.
Ces cellules se sont transformées en cellules souches du sang. Les cellules souches de cette expérience étaient si puissantes qu'elles ont complètement guéri un groupe de souris souffrant d'un faible nombre de cellules sanguines en raison de traitements de radiothérapie.
4 oreilles de pomme
En 2016, le biophysicien canadien Andrew Pelling et son équipe de l'Université d'Ottawa ont réussi à faire croître des tissus humains à l'aide de pommes. En utilisant une technique de décellularisation pour supprimer les cellules existantes de la pomme, celles-ci se sont retrouvées avec un «échafaudage» en cellulose. En passant, c'est la cellulose qui donne aux pommes leur croquant satisfaisant.
Pelling et son équipe découpèrent un morceau de pomme sans cellules en forme d'oreille et l'injectèrent avec des cellules humaines. Les cellules ont peuplé la structure et créé un auricule (la partie externe de l'oreille).
La motivation de l'expérience était de créer des implants moins chers. Selon Pelling, son matériel cultivé en laboratoire pose également moins de problèmes que les matériaux biologiques conventionnels utilisés pour les implants, qui proviennent souvent d'animaux ou de cadavres.
Cette technique ne se limite pas aux pommes. Il a également cherché à reproduire ses découvertes dans des pétales de fleurs, des asperges et d'autres légumes.
3 pénis de lapin
En 2008, le Dr Anthony Atala, de l'Institut de médecine régénératrice de la forêt de Wake, a dirigé un groupe de lapins en gestation. Mais ce n'était pas un groupe de lapins. Les hommes avaient tous reçu des pénis cultivés en laboratoire, une idée sur laquelle il travaillait depuis 1992.
Sur les 12 lapins ayant reçu un pénis à ingénierie biologique, tous ont tenté de s'accoupler. Huit des lapins ont réussi à éjaculer et quatre ont eu une progéniture.
En 2014, Atala et son équipe avaient créé six pénis humains dans l'espoir d'obtenir l'approbation de la FDA pour la transplantation humaine. Les scientifiques ont soumis les organes développés en laboratoire à des tests rigoureux, en utilisant une machine pour les tirer et les presser pour s'assurer qu'ils résistent à l'usure quotidienne.
L'équipe a également mis en place des machines pour pomper le fluide à travers les organes afin de s'assurer qu'ils peuvent gérer les érections. En 2017, la Food and Drug Administration des États-Unis n'avait pas approuvé les organes développés en laboratoire pour la transplantation humaine dans la population en général.
2 vagins
Le Dr Anthony Atala et son équipe ont également développé des vagins humains dans leur laboratoire. Ces organes ont ensuite été implantés chez quatre adolescents mexicains atteints d'un trouble qui les avait amenés à naître sans vagin.
Pour construire les organes, l'équipe d'Atala a prélevé un petit échantillon de tissu sur chaque fille. Ils ont ensuite créé un échafaudage biodégradable personnalisé et l’ont injecté avec des cellules issues des échantillons de tissus originaux.
La première de ces chirurgies a été achevée en 2005. Les suivis avec les femmes n'ont révélé aucune complication à long terme des opérations. Les quatre femmes ont rapporté un fonctionnement sexuel normal. Cependant, seules deux des femmes ont un ventre. Il n'est pas clair si les deux autres pourront avoir des enfants.
1 boules de cerveau
Sergiu Pasca de l’Université de Stanford a gardé un mini-cerveau en vie pendant deux années complètes. Les scientifiques se réfèrent à lui comme un organoïde cérébral. Seulement 4 millimètres de diamètre, cette petite masse de tissu cérébral humain a été cultivée en laboratoire à partir de cellules souches. Avec les bonnes hormones, les chercheurs peuvent convaincre les tissus de se développer pour former des structures qui imitent presque des parties du cerveau.
La plus grande différence entre la vraie affaire et ces mini-contreparties?
Les cerveaux développés en laboratoire ne possèdent pas de vaisseaux sanguins ni de globules blancs et ne suivent pas les schémas de développement neurologique typiques. Au lieu de cela, ils cessent de mûrir à l’équivalent du premier trimestre du développement humain. Au moins c'est le cas des neurones organoïdes cérébraux.
Il existe dans le cerveau des cellules non nerveuses appelées astrocytes qui parviennent à atteindre leur pleine maturité dans les organoïdes cultivés en laboratoire. Les astrocytes sont des cellules auxiliaires qui créent et réduisent les connexions entre les neurones selon les besoins. Ils établissent également des connexions avec les vaisseaux sanguins menant à l'intérieur et à l'extérieur du cerveau et jouent un rôle essentiel dans la détection d'une blessure.
Une étude plus approfondie de ces balles cérébrales pourrait aider à déverrouiller les mécanismes de la maladie de Lou Gehrig et de plusieurs troubles du développement neurologique.