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Le sang synthétique, une innovation à portée de main ? |
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|  Une équipe de chercheurs conduite par le professeur Joseph DeSimone à l'université de Caroline du Nord à Chapel Hill [1] s'est inspirée du principe de l'élasticité de la membrane des globules rouges pour générer des microparticules [2] - disques d'hydrogel [3] - de l'ordre du micron (10-9m) ressemblant aux globules rouges. Ces derniers ont une capacité importante à se déformer leur permettant de traverser des vaisseaux sanguins plus petits que leur diamètre. Les globules rouges, chargés de transporter l'oxygène des poumons vers les tissus et muscles, jouent aussi un rôle important dans la régulation du pH sanguin. Le sang composé de globules blancs, de plaquettes, de globules rouges et de plasma fait l'objet de 8 millions de dons par an aux Etats-Unis et n'a pas encore d'équivalent synthétique.
En 2004, le sang artificiel PolyHeme, de Northfield Laboratories Inc. dans l'Illinois, avait créé la polémique aux Etats-Unis, principalement due aux essais cliniques administrant ce produit en l'absence de consentement des patients. De plus, une étude parue en 2008 avait démontré que PolyHeme avait augmenté le taux de mortalité et d'attaques cardiaques chez les personnes qui s'étaient vues administrer ce produit.
En 2009, des tests in vitro avaient été effectués par P. Doyle du Massachusetts Institute of Technology, par S. Mitragotri de l'université de Californie à Santa Barbara et par J. Lahann de l'université du Michigan avec des microparticules déformables franchissant des capillaires, mais sans test in vivo.
Les microparticules générées par l'équipe de J. DeSimone sont des RBCM (Reb Blood Cell Mimics [4]) ayant les mêmes caractéristiques (taille, forme et déformabilité) que les globules rouges. Par variation de poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) dans la microparticule, quatre degrés de flexibilité de RBCM ont été générés : 10%, 5%, 2% et 1% de PEGDA. L'approche de l'équipe de J. DeSimone pour cette recherche sur les microparticules est différente et innovante, car elle consiste à utiliser les biomatériaux [5], base de la technologie médicale future.
Cette découverte pourrait ouvrir la porte à la fabrication de sang synthétique avec les trois avantages suivants: une demi-vie supérieure à 40 jours par rapport au sang naturel, pas de conservation à basse température et aucun groupe sanguin défini.
1. Fabrication et test in vitro et in vivo des microparticules
Afin de réaliser les disques d'hydrogel, une technique appelée Particle Replication In Nonwetting Templates (PRINT) [6] mise au point par l'équipe de J. DeSimone a été créée. Elle permet notamment de produire des microparticules dont le diamètre est égal au diamètre des globules rouges de la souris (6micro-m contre 8micro-m pour les globules rouges humains), mammifère dont le génome est très proche de celui de l'homme.
La déformabilité des microparticules a d'abord été testée sur un modèle de constriction vasculaire (in vitro) et les résultats ont été très encourageants puisque les microparticules se déformaient et voyaient leur taille augmenter de 239% +/- 26% pour passer à travers des microtunnels dont le diamètre était seulement de 3 micro-m.
Lors de l'essai chez la souris, la quantité des RCBM après injection a été suivie grâce à leur fluorescence durant les enregistrements effectués toutes les 2 secondes pendant 2 heures.
Les résultats in vivo ont démontré que les microparticules les plus flexibles étaient éliminées 30 fois moins vite que leurs homologues rigides. En effet, la demi-vie des RBCM les plus flexibles s'élève à 93 heures contre presque 3 heures pour les plus rigides.
2. Biodistribution des microparticules d'hydrogel
Concernant la biodistribution, les résultats sont très encourageants car la plupart des microparticules rigides ont été retrouvées dans les poumons des souris contre 2% pour leurs homologues flexibles qui se concentrent aussi à 67% dans la rate, organe qui se charge de l'élimination des vrais globules rouges. En effet, au bout d'environ 120 jours, la structure membranaire des globules rouges évolue et devient plus rigide aux déformations, ils sont alors évacués via la rate.
3. Recherches futures
Les prochaines recherches se focaliseront sûrement sur la capacité des microparticules à transporter de l'oxygène afin de mimer au plus près les globules rouges ou à transporter et délivrer des molécules thérapeutiques. Des traitements contre les cancers pourraient être envisagés en utilisant cette technique. Les microparticules se concentrant très peu dans le foie, on pourrait imaginer de les lier à des molécules thérapeutiques qui sont habituellement stoppées dans le foie avant d'atteindre leur cible.
Même si ces recherches, largement financées notamment par les National Institutes of Health (NIH) et le National Science Foundation (NSF), sont prometteuses, la fabrication du sang synthétique demandera quelques années de recherche supplémentaire. Néanmoins, J. DeSimone estime qu'il faudra environ quatre années pour que commencent les essais cliniques sur le traitement des cancers grâce aux microparticules.
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[1] Accès à la publication "Using Mechano-biological Mimicry of Red Blood Cells to Extend Circulation Times of Hydrogel Microparticles"; Merkel, T. J.; Jones, S. J.; Herlihy, K. P.; Kersey, F. R.; Shields, A. R.; Napier, M. E.; Luft, J. C.; Wu, H.; Zamboni, W. C.; Wang, A. W.; Bear, J. E.; DeSimone, J. M. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011, 108(2), 586-59 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/0H1IR
[2] Une microparticule est une particule dont la taille est comprise entre 0,1 et 100 micro-m.
[3] L'hydrogel utilisé est principalement composé de 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) auquel était ajouté de 1 à 10% de poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) en fonction de la flexibilité voulue. Un photoinitiateur et un colorant fluorescent ont également été utilisés. Enfin 10% de 2-carboxyethyl acrylate ont été nécessaires afin de mimer la membrane des globules rouges qui est chargée négativement.
[4] Aucun équivalent français trouvé.
[5] Produits issus de l'ingénierie biologique.
[6] http://www.desimone-group.chem.unc.edu/research/print
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