La thérapie cellulaire avec un ordinateur biologique

De nombreuses maladies ne sont souvent dépistées qu’à l’apparition des premiers symptômes. La biologie de synthèse a trouvé, au moins au niveau conceptuel, une solution pour la détection précoce et le traitement de certaines maladies chroniques. Les prothèses moléculaires permettent ainsi de déceler tôt des indicateurs spécifiques de pathologie et de traiter les maladies.

Les cellules se comportent comme un ordinateur vivant, si ce n’est que leurs signaux d’entrée et de sortie (que l’on appelle aussi inputs et outputs) sont biologiques, et non numériques. Une cellule est par exemple capable de mesurer la lumière, la chaleur, les acides nucléiques ou les liaisons chimiques et d’y réagir. En réaction aux inputs mentionnés, la cellule croît, adapte sa morphologie ou produit des liaisons chimiques qui peuvent faire office d’antagonistes métaboliques.

Ce comportement naturel d’une cellule est à la base de la réflexion sur les prothèses moléculaires. Car les cellules n’agissent pas toujours comme prévu. Les processus métaboliques au fonctionnement erroné peuvent provoquer des maladies. Les prothèses moléculaires devraient ainsi les équilibrer, à l’instar d’une véritable prothèse, qui endosse par exemple la fonction d’une jambe ou d’une main. Les prothèses moléculaires sont réalisées avec des composants génétiques de même type et travaillent de manière autonome. On parle aussi de réseaux génétiques. Les prothèses moléculaires peuvent se lier au métabolisme d’un hôte et ont le potentiel de stopper précocement la progression d’une maladie. Elles sont complexes et en général conçues à partir de trois composants: le capteur, un récepteur biologique, mesure la quantité d’un produit métabolique défini dans le corps. En cas de dépassement d’une valeur seuil, une cascade de signalisation est déclenchée. Elle se termine avec un effecteur, qui opère alors un correctif et restaure ainsi l’équilibre physiologique de l’hôte.

Une technique à l’utilisation universelle

Les prothèses moléculaires sont fabriquées artificiellement en laboratoire avec du matériel biologique, puis intégrées dans des cellules de mammifères. Bon nombre de ces cellules modifiées sont emballées dans une capsule en gélatine d’algue, afin que les prothèses moléculaires ne soient pas éliminées par le corps. Ces capsules sont ensuite transplantées dans un organisme modèle (p. ex. une souris) afin de guérir des maladies du métabolisme.

Un exemple de prothèse moléculaire sont les cellules bêta artificielles produites par le Prof. Dr Fussenegger et son équipe en décembre 2016. Ces cellules produisent de l’insuline et équilibrent ainsi la glycémie. Chez les personnes diabétiques, ce processus métabolique est perturbé, si bien qu’elles n’absorbent pas suffisamment de sucre dans le sang, ce qui peut entraîner une acidification du sang dangereuse. La prothèse du Professeur Fussenegger mesure le taux de glucose dans le sang et déclenche une cascade de signalisation dès qu’une valeur seuil est dépassée. La glycémie est alors abaissée. Les cellules bêta artificielles fonctionnent ainsi à la manière des cellules bêta de notre pancréas. La prothèse moléculaire décrite a jusqu’à présent été testée avec succès sur des souris et pourrait faciliter grandement la vie des patients atteints de diabète de type 1, dont les cellules bêta ne fonctionnent pas.

La biologie de synthèse a également fait des progrès dans la détection précoce du cancer de la prostate, du poumon, du côlon et du sein. La preuve est fournie par une étude de faisabilité publiée en 2018. Les spécialistes en biotechnologie ont développé une prothèse moléculaire spécifique au cancer, qui mesure le niveau de calcium dans le sang. Un taux de calcium élevé fait office d’indicateur pour certains types de cancers. Dans leur étude, les chercheurs ont intégré dans les cellules un capteur qui mesure la teneur en calcium. En cas de hausse massive, une cascade de signalisation est déclenchée et libère le pigment mélanine. Un grain de beauté apparaît à l’endroit où se trouve l’implant. Il convient dans ce cas de consulter un médecin, qui procédera à des examens complémentaires. De tels «tatouages biomédicaux» peuvent aussi être transposés à des maladies neurodégénératives ou des troubles hormonaux, grâce à l’échange de capteur, cascade de signalisation et effecteur. Les prothèses moléculaires ont ainsi été testées pour la goutte, le psoriasis ou le surpoids.

Des thérapies à base de cellules au potentiel considérable

Les études montrent que les prothèses moléculaires fonctionnent en général un an dans l’organisme avant de devoir être changées. Les chercheurs estiment toutefois qu’elles ne pourront pas être utilisées sur les êtres humains avant 2025. Afin de pouvoir financer les études cliniques coûteuses et nécessaires, il faut néanmoins d’abord trouver des partenaires qui assument les risques financiers de telles études.

Les thérapies à base de cellules ont un grand potentiel pour remplacer les stratégies habituelles dans le traitement de maladies à la dynamique complexe et récurrente, comme les maladies chroniques. Et ce, en partie grâce aux récentes percées dans la recherche génétique (lien vers CRISPR) et aux succès remportés ces dernières années en lien avec les prothèses moléculaires.