DECOUVRIR

Nombreuses sont les approches et méthodes n’utilisant pas d’animaux qui peuvent être employées en recherche fondamentale ou appliquée, dans l’enseignement ou dans le domaine réglementaire. Historiquement, les connaissances en biologie ont même bénéficié des apports d’une multitude de méthodes in vitro. Leur développement se poursuit, porteur d’innovations dont les plus récentes permettent déjà de remplacer l’expérimentation animale dans de nombreux projets de recherche ou pour la réalisation de tests. S’ouvre la perspective de pouvoir s’affranchir de l’utilisation d’animaux de manière beaucoup plus significative encore dans les années qui viennent. 

Quatre catégories :

1) Les méthodes qui tirent des données quantitatives directement des humains (en tenant compte des aspects éthiques) : dispositifs/appareils connectés, prélèvements biologiques, tissulaires, imagerie médicale, exploitations de bases de données biomédicales, surveillance épidémiologique…

2) Les technologies in vitro basées sur du matériel humain : cultures de cellules iPSC (« reprogrammées »), organes sur puces et organoïdes, bio-impression… jusqu’à une médecine régénérative qui n’aurait nul besoin de faire appel  à l’utilisation d’animaux ou de leurs tissus ;

3) Les technologies qui modélisent les phénomènes biologiques à partir de l’information utile disponible sans que des procédures animales additionnelles n’aient à être effectuées : simulations informatiques, dites in silico… 

4) Les méthodes d’approche spécifiquement développées pour l’enseignement et la formation, telles que les vidéos en 3D, les mannequins et autres outils de simulation.

Pour en savoir plus

FRANCOPA : Etat des lieux  des méthodes alternatives  dans le domaine  de l’expérimentation animale  en France, 2016 : A télécharger ici

Humane Research Australia, Better ways to do research : An overview of methods and technologies that can replace animals in biomedical research and testing, 2019 : A télécharger ici 

Parish et al. An evaluation framework for new approach methodologies (NAMs) for human health safety assessment, Regul. Toxicol. Pharmacol. 2020, 112 : A télécharger ici

Comment utiliser le « matériel humain » pour la recherche biomédicale ?

Outre les essais cliniques réalisés chez l’homme, la recherche en faveur de la santé humaine progresse par bien d'autres méthodes.

Les scientifiques disposent de plusieurs moyens pour collecter des données…

Les études épidémiologiques, quelles que soient les méthodes, ont pour vocation de découvrir des corrélations entre certains comportements (tels que le tabagisme), des facteurs démographiques (tels que l'âge, le sexe), des facteurs constitutionnels (tels que le groupe sanguin ou le statut immunitaire, ou encore des caractéristiques du génome) ou des circonstances (comme vivre dans une zone à forte pollution) et l’état de santé. 

Par exemple, les études de cohortes longitudinales (suivies sur le long terme) permettent, via un suivi médical régulier et des questionnaires spécifiques, de produire des études mettant en rapport des facteurs de risque (ou des facteurs de protection) et la survenue d’affections. En France, par exemple, la cohorte CONSTANCES a inclus plus de 200 000 patients volontaires dans cet objectif. De nombreuses publications ont déjà été produites sur un nombre très varié de domaines médicaux.

Les données de vie réelle sont des données obtenues sans intervention sur les modalités usuelles de prise en charge des malades, mais qui sont générées à l’occasion des soins réalisés en routine pour un patient, reflétant donc la pratique courante. De telles données peuvent provenir de multiples sources : dossiers informatisés de patients, informations utilisées pour le remboursement des soins ; elles peuvent être collectées de manière spécifique, par exemple dans le cadre de procédures de pharmacovigilance, ou pour constituer des registres ou des cohortes, ou plus ponctuellement dans le cadre d’études ad hoc ; elles peuvent également provenir du web, des réseaux sociaux, des objets connectés, etc. Des études basées sur de telles données sont de plus en plus demandées pour le suivi de l’utilisation des produits de santé. Il est largement admis qu’en matière de sécurité et d’effets indésirables, les observations en vie réelle sont essentielles en complément des essais cliniques – et ce d’autant plus que les résultats des essais sont difficilement transposables à la population globale, les patients les plus à risque d’effets indésirables, patients fragiles, à comorbidités multiples, n’étant souvent pas inclus.

Des études de biosurveillance sont également menées. Elles portent, sur des individus dont on évalue l'exposition à certaines substances chimiques, soit ponctuellement, soit à intervalles réguliers, et l’impact de cette exposition, via l’analyse d'échantillons de sang ou d'urine de la population concernée.

Ils peuvent aussi étudier des échantillons biologiques humains

Pour que les chercheurs puissent étudier les cellules et tissus humains, il s’agit d’organiser  leur approvisionnement en échantillons biologiques humains.  Les « biobanques », banques de tissus, de cellules, de tumeurs, de sérums... disposent d’échantillons qu’elles fournissent sur demande pour un projet de recherche. Elles sont alimentées par des tissus provenant de procédures cliniques :  biopsies, chirurgie ou prélèvements post-mortem (sous réserve du consentement des patients). Les tissus ont pu également être spécifiquement collectés pour la recherche. Les biobanques peuvent aussi stocker des organoïdes.

L'infrastructure "BIOBANQUES" fédère en France une centaine de Centres de Ressources Biologiques (CRB), tumorothèques et centres de ressources microbiologiques. BIOBANQUES aide les chercheurs issus des secteurs publics et privés à bâtir leur projets de recherche en répondant à leurs besoins en ressources biologiques et en expertises associées (éthique, bioinformatique, sécurité et sûreté, méthodologie, biostatistiques, qualité) : plus d'informations ici.

 

Ils utilisent les informations obtenues grâce aux technologies d’imagerie médicale 

Les techniques d’imagerie cérébrale, en particulier l’imagerie par résonance magnétique (IRM) fonctionnelle, sont utilisées en recherche pour étudier la cognition humaine, le fonctionnement des différentes zones cérébrales face à différents types de stimuli, et aussi pour appréhender les dysfonctionnements observables lors d’un phénomène pathologique. Les informations obtenues sont très riches dans la mesure où elles sont obtenues dans le cadre d’interactions avec des individus conscients et pour étudier des phénomènes spécifiquement humains.

 

Ils ont recours à des études in vivo chez l’homme

Dans le cadre de procédures thérapeutiques, avec le consentement du patient, il est possible de mener des études de physiologie pour des fonctions habituellement inaccessibles à l’expérimentation humaine. Ainsi, dans le cadre d’interventions intra-cérébrales pour des épilepsies réfractaires ou des tumeurs, la procédure consiste à placer une électrode dans le cerveau du patient conscient jusqu’à la zone à détruire. Pour éviter de léser des zones cérébrales ayant des fonctions importantes, il est demandé au patient de réagir à des petites stimulations de l’électrode. Dans ce cadre, des protocoles de recherche ont pu être menés sur le fonctionnement cérébral.

Que recouvre le terme de méthodes « in vitro » ?

 

 

Les méthodes « in vitro » utilisent des tissus, micro-organismes, cellules ou autres matériels biologiques. Les plus prometteuses partent des techniques classiques de cultures de cellules pour produire en 2 et même 3 dimensions des modèles d’analyse des différents organes et tissus, peu coûteux et rapides. Les résultats en médecine humaine sont d’autant plus fiables que l’on utilise des cellules et tissus d’origine humaine. 

 

Des exemples de méthodes « in vitro » ?

Les cellules souches d’origine humaine 

Elles sont de plusieurs types : cellules souches spécifiques d’un tissu, cellules souches issues du cordon ombilical, cellules souches pluripotentes, celles-ci incluant les cellules souches embryonnaires et les cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS). Ces dernières sont des cellules matures qui, après « reprogrammation » (dé-différenciation puis re-différenciation dans le type cellulaire recherché), permettent de donner naissance à tous les types de cellules de l'organisme, normales ou pathologiques (si elles proviennent d’un patient atteint par une affection donnée). 

Les espoirs mis dans ces techniques couvrent de multiples domaines, en toxicologie, en thérapie cellulaire et médecine régénérative ; ils constituent aussi des outils précieux en recherche fondamentale. Des biobanques de lignées de cellules souches pluripotentes sont mises en place.

Les organoïdes 

Ils sont constitués à partir de culture de cellules (cellules précurseurs du tissu, cellules souches), visant à représenter une forme miniature d’organes humains en 3 dimensions. La technique est développée depuis 2013. Ils sont de plus en plus utilisés, aussi bien à partir de tissus sains que de tissus pathologiques, pouvant constituer des modèles cellulaires de maladies humaines. Leurs applications sont multiples : médecine régénérative, tests de toxicité, tests d’efficacité de médicaments, modélisation d’infections, médecine personnalisée... et ce pour quasiment tous les organes, y compris le cerveau.

Ces mini-organes ne sont pas capables – en l’état actuel de la recherche - de reproduire toutes les réponses biologiques comme un véritable organe  mais ils permettent aux chercheurs d'étudier une variété de réponses physiologiques à des manipulations et des traitements spécifiques. Ils permettent aussi, pour un patient donné, à partir de ses propres cellules, de tester l’efficacité d’un médicament potentiel.

Les organes sur puce 

Ils ont été développés grâce aux progrès à la fois des nanotechnologies et des cultures de cellules. Grâce à des systèmes de microfluidique (microcanaux), ces dispositifs peuvent reproduire la structure et la fonction d’un organe (ou plusieurs organes) : peau, poumon, foie, muscle cardiaque, os, rein, intestin, cerveau... 

 

Ces organes sur puces sont constitués d'un polymère transparent et flexible et contiennent des canaux microfluidiques creux bordés de cellules humaines vivantes (provenant d’une biopsie, ou de cellules souches, ou encore de lignées cellulaires immortalisées). Les canaux microfluidiques contiennent de minuscules quantités de liquide allant de moins d’un micron à quelques millimètres. Ils sont équipés de forces mécaniques qui peuvent imiter l'environnement physique des organes, comme les mouvements respiratoires (poumon sur puce) ou les mouvements de type péristaltique (intestin sur puce) ; un système de micro-perfusion peut simuler le circuit sanguin. Lorsque des nutriments, de l'air, du sang ou des médicaments sont ajoutés, les cellules reproduisent certaines des fonctions clés de l'organe. De telles puces peuvent inclure plusieurs organes reliés entre eux.

Ces techniques peuvent être utilisées pour les études réglementaires d’efficacité et de toxicité, la médecine personnalisée, l’étude de pathologies (par exemple en utilisant des cellules tumorales)…

Ces technologies sont encore peu standardisées. Les acteurs sont principalement des start-up commercialisant des prototypes. De fait, c'est une industrie en plein développement.

La bio-impression

L’impression de tissus est l'une des technologies de l'ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative qui implique des chercheurs de différentes disciplines : médecine, ingénierie, biologie, chimie. Ces dernières années, des progrès importants ont été réalisés. 

Bien qu'il existe différentes technologies d'impression 3D, le principe est de mettre en oeuvre des processus de jonction de matériaux ou de liquides, couche par couche, sous contrôle informatique, pour créer des objets en trois dimensions, en l’occurrence, pour la bio-impression, des tissus biologiques artificiels. La bio-impression 3D utilise des cellules et d'autres produits biologiques pour construire un tissu vivant. Les chercheurs ont ainsi dû trouver des matériaux et des processus d'impression compatibles avec les cellules et les tissus vivants. Ils ont également dû trouver des matériaux appropriés pour construire des échafaudages qui contiennent et façonnent les biomatériaux sous la forme souhaitée. Ces matériaux d'échafaudage peuvent être naturels ou synthétiques. Plusieurs approches méthodologiques ont été développées (laser, dépôt de « gouttes », micro-extrusion…).

Les applications potentielles sont vastes : modèles in vitro de pathologies, test de médicaments (efficacité, toxicité), screening, médecine régénérative (à des fins de greffes d’organes notamment).

Certains obstacles techniques résistent encore. Il y a un compromis à trouver entre la résolution, la compatibilité avec le dépôt cellulaire, la viabilité cellulaire ainsi que la stabilité mécanique. Des progrès rapides sont cependant attendus.

La bio-impression peut être combinée avec la technologie d’organe sur puce pour étudier des fonctions physiologiques.

 

Le criblage (screening) à haut débit  

Il représente une méthode automatisée pour tester les activités biologiques de milliers de produits chimiques qui étaient auparavant testés sur les animaux ; l’idée est de faire réagir simultanément un grand nombre de molécules différentes avec un substrat donné. Ce saut qualitatif dans la procédure de découverte de médicaments a été réalisé grâce à une synergie entre la chimie, la biologie, l'ingénierie et l'informatique. Aux Etats-Unis, cette technique est soutenue par une initiative gouvernementale appelée « Toxicologie au 21ème siècle » (Tox21), pour « développer de meilleures méthodes d'évaluation de la toxicité afin de tester rapidement et efficacement si certains composés chimiques ont le potentiel de perturber les processus dans le corps humain qui peuvent entraîner des effets négatifs sur la santé ». L’objectif est de disposer de modèles prédictifs de la réponse biologique in vivo.

Notons qu’en Europe, Eurotox (fédération des toxicologistes européens et sociétés européennes de toxicologie) poursuit des objectifs similaires. 

Les tests à haut débit sont également utilisés avec les organes sur puces. Cette technologie est actuellement encore trop chère pour une utilisation généralisée, mais des travaux sont en cours pour rendre son coût plus compétitif afin qu'elle puisse remplacer les modèles conventionnels.

Que recouvre le terme de méthodes « in silico » ? 

Les progrès des technologies de l'information ont permis le développement de méthodes informatisées (in silico) pour la recherche biomédicale et les tests de substances chimiques et biologiques. À ce jour, la plupart des progrès de ces méthodes ont été réalisés dans le domaine de la toxicologie. De nombreuses méthodes de calcul ont été développées pour prédire la toxicité et les propriétés physico-chimiques des produits (en particulier pour les produits soumis à la régulation REACH et peuvent ainsi jouer un rôle dans le remplacement et/ou la réduction des tests sur les animaux.

Des exemples de méthodes « in silico » utilisées en toxicologie ?

Les modèles SAR ou QSAR

La modélisation de la relation structure-activité (SAR) ou de la relation quantitative structure-activité (QSAR), part de données disponibles sur des produits chimiques existant et intégrées dans des modèles mathématiques ; ces méthodes ont été utilisées par exemple pour la sensibilisation de la peau, l’irritation de l’œil…

Le « read-across »

La méthode des références croisées (read-across) est utilisée afin de prédire les propriétés toxiques d’une substance dont la structure chimique est très proche de celle d’une autre substance dont on connaît déjà les propriétés. C’est une méthode rapide et peu coûteuse. La difficulté réside dans l’évaluation des caractéristiques susceptibles d’attester de la proximité des deux substances considérées ; cependant la pertinence de cette évaluation  est renforcée par la qualité des bases de données. Cette technique est utilisée dans de nombreux domaines : cancérogénicité, hépato-toxicité, toxicité aquatique, toxicité reproductive, sensibilisation cutanée, irritation des yeux, toxicité environnementale.

Les modèles PBPK

Les modèles pharmacocinétiques basés sur la physiologie (PBPK) sont des représentations mathématiques de l'absorption, de la distribution, du métabolisme et de l'élimination des produits chimiques chez l'homme ou d'autres espèces animales. Ils sont utilisés à des fins multiples, par exemple la simulation de concentrations du produit dans l'organisme. Ils peuvent également aider à prévoir les variations de sensibilité entre les individus et à différents stades de développement, qui ne peuvent pas être correctement traitées par les tests classiques sur les animaux.

Les systèmes experts

Les systèmes experts sont un groupe varié de modèles couvrant une combinaison de SAR, QSAR et d’utilisation de bases de données, à des fins de prédiction de la toxicité.

Pour construire et faire vivre ces modèles, des outils de « machine learning » et des bases de données sont disponibles, notamment dans le cadre de REACH, par exemple la base RASAR. Il a été montré que ces outils et modèles présentent une meilleure performance dans la prédiction de la sécurité des produits que les tests sur animaux.

D’autres démarches sont menées dans cet esprit sur les effets indésirables liés aux substances (AOPs, Adverse Outcome Pathways), promues notamment par l’OCDE. Enfin, les approches intégrées de test et d’évaluation (IATA, Integrated Approaches for Testing and Assessment) permettent de prendre des décisions sur la toxicité de substances, basées sur plusieurs sources d'informations : propriétés physico-chimiques, méthodes QSAR et des références croisées, tests de toxicité in vitro et in vivo.

 

D’autres méthodes « in silico » ?

 

La modélisation informatique du fonctionnement physiologique et des maladies 

C’est un autre domaine où les méthodes in silico peuvent remplacer l'utilisation des animaux, au fur et à mesure de l’accumulation des connaissances ; lorsque l’ensemble des paramètres d’un phénomène physiologique ou pathologique ont été décrits, il devient possible de procéder à une modélisation informatique, reliant les processus, permettant des simulations non réalisables in vivo, par exemple pour déterminer l’impact de la modification d’un paramètre donné sur l’évolution du système modélisé.

 

La biologie systémique (ou biologie des systèmes, ou encore biologie intégrative) 

Elle offre des possibilités d’analyse nouvelles dans un grand nombre de domaines, en se fondant sur des analyses mathématiques et statistiques. Elle aborde les organismes et les systèmes dans leur complexité, cherchant à intégrer les différents paramètres en interaction (organites intra-cellulaires, cellules, réseaux de gènes et de protéines, communications entre cellules…), sur plusieurs niveaux d’analyse (intégration multi-échelles), afin de produire un modèle de fonctionnement de la totalité du système, et de comprendre les interactions dynamiques entre composants d'un système vivant (et entre systèmes vivants en interaction avec l'environnement). Il est alors possible de simuler l’effet d’un médicament par exemple, par une analyse de tous les niveaux d’organisation du système, en modifiant les paramètres voulus, et d’effectuer des prédictions. La biologie systémique est intrinsèquement interdisciplinaire.

 

La réalité virtuelle et la simulation chirurgicale

Il s’agit d’autres applications de la modélisation informatique qui sont mises en œuvre  entre autres au CHU de Strasbourg, à l’IRCAD (Institut de recherche contre les cancers de l’appareil digestif) : Pour en savoir plus cliquez ici.

 

La solution « Visible patient », créée par l’IRCAD, propose des simulations d’organes pour la majorité des chirurgies digestives, thoraciques, urologiques et pédiatriques :Pour en savoir plus cliquez ici

Que cachent ces 4 lettres : « NAMs » ?

Cet acronyme reprend les initiales d’une expression anglo-saxonne, les « New Approach Methodologies », soit les « Nouvelles Approches Méthodologiques » en français. 

Il s’agit d’un concept qui rassemble les technologies   visant une amélioration de l’efficacité et de la qualité des tests de nouveaux produits dans les démarches réglementaires, en particulier en toxicologie,  sans utiliser d’animaux.

 

D’où vient  ce concept ?

Deux rapports du National Research Council (NRC) des Académies des Sciences des États-Unis, en 2007 et 2009 - qui ont tous deux plaidé pour une « prise de décision fondée sur la science » dans le domaine de l'évaluation des risques pour la santé humaine - sont à l’origine de ces développements.

En Europe, la procédure REACH  appelait aux mêmes évolutions pour évaluer la toxicité des produits chimiques. 

Quels avantages par rapport aux méthodes « sur animaux » ?

Le développement de NAMs efficaces et fiables pour évaluer la sécurité des produits est non seulement important pour réduire l'utilisation des animaux vertébrés mais constitue aussi sur le plan scientifique une amélioration pour la santé humaine et l’environnement.

En 2000, un rapport a évalué le pouvoir prédictif des études animales par rapport aux toxicités humaines observées dans les essais cliniques, concluant que les non-rongeurs étaient prédictifs de seulement 63% des toxicités observées chez l’homme et les rongeurs de 43% (Olson et al., Regul. Toxicol. Pharmacol. 2000), laissant ainsi une nette marge d'amélioration. 

Quelles évolutions ?

La réponse à ces défis pour un changement de paradigme en faveur de l'utilisation de NAMs pour l'évaluation de la sécurité des produits a entraîné une explosion des initiatives de nombreuses organisations, publiques et privées. Les NAMs doivent faciliter le remplacement de l'expérimentation animale par des combinaisons de modèles prédictifs in silico, des essais in vitro ou in chemico et des modèles informatiques d'exposition externe et interne.

Ces méthodes sont prometteuses pour accélérer les procédures de tests et en améliorer la précision. 

Quels freins ?

Comme pour toutes méthodes, il est nécessaire de déterminer leur adéquation à l'évaluation des risques sur la base de critères précis. Or, le rythme de développement de ces nouvelles méthodes s’est accru ces dernières années, mais la procédure de validation n’arrive pas à suivre.

FRANCOPA observe que « la lourdeur des démarches de validation reste peu compatible avec la rapidité de l’évolution des connaissances ce qui explique le peu de succès que rencontrent certaines de ces méthodes qui sont déjà obsolètes au moment où elles sont validées ».

Des perspectives ?

A ce jour, les principaux NAMs utilisés dans les tests réglementaires le sont pour les utilisations suivantes : irritation ou corrosion cutanée, sensibilisation cutanée, absorption cutanée, irritation ou corrosion oculaire, inhalation, perturbation endocrinienne, génotoxicité.

Pour accélérer l’acceptation des NAMs dans la pratique, il est nécessaire de coordonner les multiples initiatives.

Ce besoin de standardisation a conduit un groupement multi-acteurs à la proposition d’un cadre commun de définition et de méthodes de développement.

Quoi de neuf du côté de l’enseignement et de la formation professionnelle ? 

En médecine ou chirurgie humaine, des outils modernes d’enseignement sont proposés aux étudiants, selon le principe : « jamais la première fois sur le patient ». : vidéos, logiciels multimédia, réalité virtuelle, mannequins, simulateurs.

 

Ces méthodes innovantes sont désormais largement disponibles pour l’enseignement médical et chirurgical, dans de nombreux centres hospitalo-universitaires comme par exemple ceux de Nancy (hôpital virtuel de Lorraine comprenant entre autres volets le CUESIM, centre universitaire européen de simulation médicale), Reims, Paris, Rouen, etc. 

 

Le CUESIM propose aussi des formations continues à la carte, pour répondre aux besoins des professionnels de santé exerçant en libéral ou dans les institutions publiques ou privées, qu’ils appartiennent à des professions médicales ou paramédicales (gestes techniques, ventilation au masque, intubation, réanimation…).

L’apport de la simulation dans l’enseignement médical a été souligné par la Haute Autorité de Santé. 

En revanche ces possibilités technologiques sont moins exploitées en médecine vétérinaire  - faute de moyens suffisants - et pas du tout dans le cadre de la formation des personnels amenés à utiliser des animaux à des fins scientifiques ou éducatives.

La plateforme de simulation médicale vétérinaire « VetSim’s Mim’s Alfort » de l’ENVA ouverte en 2016, comme celle de l’Ecole Nationale Vétérinaire de Nantes « Virtual Vet », permettent aux étudiants vétérinaires de s’exercer aux gestes techniques sans stress, selon le principe « jamais la première fois sur l’animal vivant ! » grâce à des mannequins, des modèles inertes et des simulateurs.

 

Mais les équipements de ces plateformes restent plus modestes que les plateformes dédiées à la médecine et chirurgie humaines : Pour en savoir plus cliquez ici.

Pour soutenir financièrement le développement des outils de simulation destinés à ses étudiants l’ENVA lance un appel au public : Pour en savoir plus cliquez ici.

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