Des laboratoires de haute sécurité infectent des cellules pulmonaires humaines fabriquées en laboratoire avec le coronavirus.
Dans le laboratoire de biosécurité de niveau 4 du National Emerging Infectious Diseases Laboratories (NEIDL) à Boston, les chercheurs portent trois jeux de gants et respirent l’air envoyé dans les combinaisons lunaires par des tubes serpentins. Devant eux, sous un bouclier de plastique, se trouvent des cellules pulmonaires humaines cultivées à partir d’organoïdes, des blocs de cellules qui imitent les organes.
Il est maintenant temps de les infecter avec le coronavirus.
La suite des événements pourrait nous éclairer sur les effets étranges et mortels du covid-19, car ce n’est pas seulement le virus qui compte, mais aussi la réaction de l’organisme à ce dernier. Les gens meurent de cette réaction, et les organoïdes pourraient aider à déterminer où les dommages sont les plus importants. Des modèles cellulaires précis sont déjà en train de déterminer comment le virus pénètre dans l’organisme, où il cause le plus de dommages, et aideront à la recherche de traitements.
De nombreux virologistes travaillent avec des données informatiques ou avec des virus de substitution dans lesquels ils insèrent 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 ce que le virus fait réellement à des types de cellules humaines spécifiques. « Si vous travaillez avec le vrai virus, vous obtenez de vrais résultats », explique Elke Mühlberger, microbiologiste au NEIDL, qui est géré par l’université de Boston. « Si vous vous intéressez à la réponse de l’hôte, les substituts ne sont d’aucune utilité. »
Les chercheurs de l’université de Boston travaillent avec des virus mortels dans un laboratoire de niveau 4 de biosécurité.
Un domaine dans lequel la recherche sur les tissus pulmonaires humains fabriqués en laboratoire pourrait s’avérer rentable est l’essai des médicaments covid-19. Avant d’essayer tout médicament antiviral potentiel sur des personnes, les chercheurs testent leur capacité 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. « Elles ont perdu leur capacité à agir comme un poumon ou un foie, elles ne répondent pas à l’interféron – elles sont très différentes de la réalité », explique Elke Mühlberger. « Elles ne font pas grand-chose d’autre que d’être infectées ».
Les cellules des organoïdes sont différentes.
Les petits organes
Les organoïdes sont des mini-tissus complexes créés à partir de cellules souches. On laisse ces cellules maîtresses se multiplier et s’auto-organiser jusqu’à ce qu’elles finissent par créer de minuscules amas qui peuvent avoir la composition cellulaire de base – et les fonctions – d’un véritable organe. Il existe des mini-intestins aux rides délicates, des blobs cérébraux qui émettent des ondes EEG et des structures qui ressemblent étonnamment à de vrais embryons.
Les cellules pulmonaires humaines se développent sous forme d’organoïdes tridimensionnels. Les cellules de ces « alvéolosphères » sont infectées par le virus à l’origine du covid-19 pour aider les chercheurs à comprendre comment il tue.
Les organoïdes ont fait leurs débuts en tant que solveur 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, la microcéphalie, chez certains nouveau-nés brésiliens.
Les organoïdes peuvent également aider les chercheurs à étudier des virus animaux qu’ils n’ont pas encore bien examinés parce qu’ils se sont avérés difficiles à cultiver en laboratoire. En mai, des scientifiques de Hong Kong ont cultivé des mini-intestins de chauves-souris en fer à cheval, l’espèce même qui est à l’origine de l’épidémie de covid-19, qui abrite des milliers de virus dont nous savons encore peu de choses.
Les cellules pulmonaires
Les recherches menées à Boston utilisent des tissus pulmonaires créés dans plusieurs laboratoires de la région, dont certains correspondent à des parties des alvéoles, ces sacs d’air gonflés qui échangent de l’oxygène dans le poumon et qui sont débordés dans les cas graves de covide-19.
Finn Hawkins, qui dirige l’un des laboratoires d’organoïdes, est un pneumologue qui vient de terminer un stage dans une unité de soins intensifs où il s’occupe de patients atteints de covid-19. « Je n’ai jamais rien vu de tel », dit-il. « Pour moi, ce qui est frappant, c’est la mesure dans laquelle il provoque de graves lésions pulmonaires 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 respirateur sont censés être sevrés. Au lieu de cela, certains sont saisis par une « tempête de cytokines », une réaction inflammatoire incontrôlée, accompagnée d’une fièvre qui ne veut pas s’arrêter. Ce qui tue la plupart des patients atteints de covide-19, c’est qu’ils en arrivent à ne plus pouvoir respirer du tout. « Leurs marqueurs augmentent ; ils ont besoin d’oxygène. L’aggravation soudaine – c’est quelque chose que je n’ai jamais vu auparavant et que je vois maintenant encore et encore », dit Finn Hawkins. « On commence à se demander ce qui se passe, ce qui provoque l’aggravation. »
Selon Finn Hawkins, la fourniture de cellules spécifiques des voies aériennes et des poumons pourrait répondre à deux questions : premièrement, quelles cellules laissent entrer le virus dans l’organisme, et deuxièmement, quelles sont les clés des effets dévastateurs. « En combinant des cellules pulmonaires dérivées de cellules souches avec la capacité de séquencer et de suivre les molécules à l’intérieur des cellules individuelles, on obtient une « résolution incroyable », dit-il. « Vous pouvez obtenir des informations qu’il est impossible d’obtenir autrement ».
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, qui ondulent comme des frondes sur une anémone de mer, font monter le mucus et dépassent les niveaux élevés d’ACE-2, le récepteur cellulaire humain sur lequel le virus s’accroche. Leurs conclusions indiquent que le nez est l’endroit le plus probable où le virus pénètre.
C’est une information que les scientifiques pourraient utiliser pour mettre au point des défenses virales. Une vidéo sur YouTube a suggéré de créer un nez anticoronavirus à partir d’un trombone. Si le virus pénètre dans le nez, ce n’est pas une idée complètement folle. « Si vous pouvez comprendre quels types de virus sont infectés et comment, alors vous pouvez trouver des stratégies pour les bloquer ou les atténuer », explique Finn Hawkins.
La prochaine question pour les modèles de poumons sera de déterminer comment des types de cellules particuliers réagissent à l’infection. « Nous pensons que le virus déclenche quelque chose. Ce qui nous intéresse vraiment, c’est de voir quelles sont les conséquences en aval lorsqu’un virus pénètre dans une cellule », souligne Finn Hawkins. Certains médecins pensent que c’est l’endommagement du système d’échange gazeux des poumons, les alvéoles, qui entraîne la mort. Les cellules des sacs d’air qui échangent l’oxygène sont grandes et fines, presque comme les voiles d’un yacht. Mais le vrai problème pourrait résider dans les cellules de « type 2 » dont le travail consiste à fabriquer du surfactant, une substance qui réduit la tension de surface pour permettre aux sacs d’air de rester ouverts.
Les cellules pulmonaires s’illuminent en vert après avoir été infectées par le coronavirus, le SARS-CoV-2.
« Si vous regardez les autopsies, les cellules de type 2 sont très gravement endommagées. Nous savons qu’elles sont infectées par le virus. C’est le type de cellule clé pour comprendre ce qui tue ces patients », précise Finn Hawkins. « Vous obtenez des alvéoles complètement fermées, et c’est ce qui cause des problèmes d’oxygénation. Lorsque le patient se retrouve sous respirateur, il est très difficile d’administrer la bonne pression et de sauver ces poumons malades qui fuient ».
Regarder les cellules mourir
Alors que Fin Hawkins s’occupe des patients dans les services, Jessie Huang, post-doctorante au laboratoire de Darrell Kotton de l’université de Boston, fabrique des cellules de type 2 à l’aide d’organoïdes et les envoie dans tout le pays et dans le monde entier. Les cellules alvéolaires des patients ne sont pas faciles à cultiver, mais les laboratoires de Boston ont trouvé comment les générer et ils peuvent fabriquer un type d’organoïde appelé alvéolosphère.
Ces cellules sont transportées vers les laboratoires sécurisés de l’autre côté de la ville. « Notre rôle est super simple. Nous ajoutons juste le virus », lance Elke Mühlberger.
Que se passe-t-il après avoir donné aux cellules pulmonaires du covid-19 ? Elke 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 s’envolent. « Vous voyez que les cellules ne se comportent pas si bien », dit-elle. « Nous pensons que le virus tue directement les cellules, mais nous ne le savons pas vraiment. Ce pourrait être la surproduction de cytokines et de chimiokines, des types de molécules d’inflammation.
Mme Mühlberger pense que les organoïdes pourraient également donner une meilleure idée des médicaments qui empêcheront le virus de se copier. Un composé qui a stoppé le virus dans des 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 que les médicaments pourraient aussi agir différemment ».
