Remplacer les animaux dans la recherche antivirale – cellule par cellule

Les traitements qui s’avèrent efficaces contre le Covid-19 et d’autres maladies respiratoires d’origine virale demeurent rares. Cette situation est en partie due au fait que les modèles animaux actuellement utilisés ne permettent généralement pas de prédire quels seront les effets exercés par tel ou tel médicament chez l’être humain. À l’Université de Genève, la professeure Caroline Tapparel Vu et son équipe ont décidé de suivre une voie novatrice : tester des composés antiviraux directement sur des tissus humains (épithélium des voies respiratoires ou HAE) cultivés in vitro à partir d'échantillons humains. En collaboration avec la société Epithelix et des partenaires universitaires, ils mettent au point une plateforme de criblage qui pourrait révolutionner le développement de médicaments antiviraux dans le cadre du PNR 79 « Advancing 3R ». Nous avons discuté avec elle des avancées réalisées, des conclusions auxquelles elle est parvenue et aussi de la suite de ses travaux.

Pourquoi les modèles animaux actuels se révèlent-ils souvent insuffisants du point de vue de la recherche antivirale, et pourquoi les résultats obtenus ne sont-ils pas transposables à l’être humain ?

Le problème comporte deux aspects. Tout d’abord, les lignées cellulaires couramment utilisées pour le criblage initial d’antiviraux sont issues de cellules cancéreuses qui ont fini par accumuler des mutations chromosomiques et diffèrent considérablement des cellules saines des voies respiratoires humaines. Étant donné que les virus respiratoires ont besoin de facteurs spécifiques de l’hôte pour pénétrer dans les cellules et s’y répliquer, les tester sur ces lignées cellulaires cancéreuses conduit à un décalage important par rapport à la réalité humaine.

Deuxièmement, lorsque les chercheuses et les chercheurs tentent de valider des médicaments potentiels en recourant à des modèles animaux, ils rencontrent un problème d’ordre similaire dans la mesure où la plupart des virus respiratoires humains ne peuvent tout simplement pas infecter les souris. Il existe des solutions de contournement, mais ces approches créent de fait une distance encore plus importante entre l’expérience et le monde réel, c'est-à-dire lorsqu’un virus humain infecte un être humain. Les filtres en deux étapes sélectionnent des composés à partir de modèles qui sont souvent biologiquement très éloignés des tissus humains. Lorsque ces candidats parviennent enfin au stade des essais cliniques, ils peuvent être recalés précisément parce que l’environnement dans lequel ils ont été testés n’a jamais constitué un bon substitut par rapport à celui qui compte vraiment.

En quoi les modèles in vitro constituent-ils une alternative aux modèles animaux plus prometteuse, tant sur le plan scientifique qu’éthique ?

Leur principal avantage réside dans leur fidélité biologique. Ces modèles sont créés à partir de cellules qui sont prélevées directement lors de biopsies pratiquées sur des patients humains. Cultivées dans des conditions optimales, ces cellules se développent en un tissu dont la composition cellulaire et l'architecture tissulaire reflètent fidèlement celles des voies respiratoires humaines. Notre équipe utilise actuellement le séquençage d'ARN à cellule unique – une technique qui permet de cartographier l'expression génique de chaque cellule au sein d'un échantillon – pour comparer le tissu reconstitué à des jeux de données humaines déjà publiés ainsi qu'à des tissus de souris. Les premiers résultats indiquent que ce modèle tissulaire se rapproche beaucoup plus que la souris des voies respiratoires supérieures de l'être humain.

Concrètement, cela nous permet de repérer rapidement les candidats-médicaments qui paraissent prometteurs sur des lignées cellulaires cancéreuses, mais n'ont en réalité aucun effet sur des tissus humains sains. Nous pouvons ainsi les écarter avant même tout essai sur des animaux. L'hydroxychloroquine en est un bon exemple : au début de la pandémie de Covid, elle semblait efficace sur des lignées cellulaires, mais elle a échoué lors des essais cliniques. Elle ne fonctionne pas non plus dans notre modèle – qui aurait donc pu signaler bien plus tôt qu'elle n'était pas une piste pertinente. Sur le plan éthique, cela réduit directement le nombre d'expériences sur les animaux : on cesse simplement d'étudier les composés que les tissus humains signalent déjà comme inadaptés.

Où en êtes-vous actuellement avec votre équipe et quels sont les principaux défis auxquels vous avez été confrontés ?

Le principal obstacle a été la réglementation en matière de biosécurité que nous a imposée le SARS-CoV-2. Le virus est classé au niveau de biosécurité 3, ce qui signifie que sa manipulation exige des installations de confinement spécialisées et un équipement de protection individuelle complet. L'Université de Genève dispose certes d'une telle installation, mais celle-ci n'est pas équipée pour l'expérimentation animale. Nous avons donc dû mener nos expériences à l'EPFL. L'obtention de l'autorisation intercantonale nécessaire a pris un temps considérable et, de surcroît, l'installation requise de l'EPFL est en maintenance depuis plus d'un an, ce qui a considérablement retardé le calendrier du projet. Nous avons déposé une demande de prolongation d'un an afin de pouvoir achever les expériences que nous devons encore mener sur la souris, et le financement est toujours assuré.

L’équipe a validé le modèle HAE en termes de composition des cellules épithéliales – confirmant ainsi qu’il s’agit d’un excellent substitut du tissu des voies respiratoires humaines – et comparé l’efficacité des médicaments antiviraux entre les modèles ex vivo et les modèles murins. Les résultats obtenus chez la souris se sont révélés très variables, si bien que nous devons réaliser des expériences additionnelles. Les données issues du séquençage d’ARN à cellule unique sont actuellement en cours d’analyse.

Quelles sont vos conclusions les plus importantes à ce jour ? Certains résultats de recherche vous ont-ils surpris ?

La principale est que le modèle HAE constitue vraiment un excellent substitut de l'épithélium des voies respiratoires humaines, du moins au niveau des cellules épithéliales qui constituent la cible principale du virus. L'analyse unicellulaire confirme que la diversité des types cellulaires dans le tissu reconstitué correspond à celle observée dans les ensembles de données humaines.

Fait intéressant, certains composés semblaient inactifs lorsqu'ils étaient évalués au niveau du tissu, mais induisaient des réponses claires dans des populations cellulaires spécifiques. Cela met en évidence la valeur ajoutée des analyses unicellulaires, qui permettent de révéler des effets médicamenteux spécifiques à certains types de cellules qui resteraient autrement indétectés. De tels effets pourraient révéler des mécanismes d'action ou des effets secondaires jusqu'alors méconnus et contribuer à identifier de nouvelles cibles antivirales.

Les données issues de la souris ont également mis en évidence un autre résultat digne d'intérêt : les animaux ne présentaient pratiquement aucune trace virale dans les tissus nasaux, alors que le modèle HAE correspondait bien aux schémas d'infection observés chez l'être humain – ce qui illustre clairement que la souris ne constitue pas un bon modèle pour étudier les infections des voies respiratoires supérieures chez l'être humain.

Vous développez une plateforme de criblage afin de tester des substances antivirales à grande échelle. Comment cela fonctionnera-t-il concrètement, qui pourra l’utiliser et quelles sont les prochaines étapes de vos recherches ?

Parallèlement au projet principal, nous avons mis au point une plateforme de criblage antiviral à haut débit fondée sur des organoïdes des voies respiratoires humaines. Cette plateforme est désormais entièrement développée et validée, et un article décrivant sa mise en place et sa validation est actuellement en préparation.

Le criblage à haut débit a permis de mettre en évidence un résultat significatif. En utilisant le virus respiratoire syncytial (VRS) comme modèle, nous avons comparé les résultats de criblage antiviral obtenus dans des organoïdes des voies respiratoires humaines et dans des lignées cellulaires conventionnelles issues de cellules cancéreuses. Plusieurs composés identifiés comme actifs dans les lignées cellulaires n'ont montré aucune activité dans le modèle d'organoïdes, tandis que certains composés actifs dans les organoïdes n'ont pas été détectés lors des criblages réalisés sur des lignées cellulaires. Ces résultats démontrent la capacité de la plateforme d'organoïdes à éliminer précocement les candidats faux positifs et à identifier des antiviraux prometteurs qui passeraient autrement inaperçus.

À l'avenir, il est prévu de valider la plateforme pour d'autres virus, par exemple le virus de la grippe et le rhinovirus, afin de démontrer son applicabilité au-delà du VRS. À plus long terme, la plateforme pourrait être commercialisée par l'intermédiaire de notre partenaire Epithelix, une société établie à Genève qui fournit déjà des services de tests antiviraux et de toxicité à de grandes entreprises pharmaceutiques et qui a manifesté son intérêt à proposer ce modèle de criblage de haute fidélité dans le cadre de sa gamme de prestations.

Vous collaborez avec Epithelix et des partenaires universitaires. Quelle importance ce pont entre le monde universitaire et l’industrie revêt-il, et si votre projet aboutit, en quoi cela pourrait-il changer la manière dont les médicaments antiviraux seront à l’avenir développés ?

Ces collaborations se sont avérées essentielles dès le début. Epithelix a fourni à la fois les bases scientifiques et une stratégie viable d’un point de vue commercial pour que nos travaux puissent trouver application à plus grande échelle. L’Université de Genève a mis à disposition l’infrastructure robotique nécessaire à la lecture à haut débit que le laboratoire universitaire n’aurait pas été capable de mettre en place par ses propres moyens. Une entreprise spécialisée dans les cellules souches a fourni le milieu spécialisé et les protocoles nécessaires à la culture des organoïdes, et ce à un prix réduit, ce qui était important compte tenu des coûts impliqués.

À l’avenir, l’objectif est que ce type de criblage devienne une étape standard dans les processus de développement des antiviraux, plutôt qu’un complément facultatif. L’industrie pharmaceutique a déjà manifesté son intérêt : Roche a commencé à intégrer des modèles ex vivo dans son propre pipeline. Une adoption à plus large échelle permettrait de repérer plus tôt de meilleurs candidats, de réduire les échecs coûteux en phase avancée et de limiter les expérimentations animales inutiles.

L’équipe envisage également d’aller au-delà du modèle actuel : dans un premier temps en ajoutant des cellules immunitaires à la coculture, puis éventuellement en connectant des tissus respiratoires, hépatiques et cérébraux sur des plateformes de type organe sur puce afin de mettre au point un système capable de mieux rendre compte des effets systémiques tant des infections que des traitements.