Pour mieux comprendre le dépôt de particules dans les poumons, les chercheurs du Centre Ingénierie et Santé  de Saint-Etienne ont développé un modèle innovant afin de limiter l'expérimentation animale. En quoi consiste ce modèle ? Quelles améliorations reste-t-il à faire ? Pour répondre à ces questions, je me suis rendue au CHU de Saint-Etienne pour rencontrer le doctorant Yoann MONTIGAUD.

Création du projet au Centre Ingénierie et Santé de Saint-Etienne

En 2017, le docteur Sophie PERINEL soutenait sa thèse sur le « Développement d’un modèle chimérique ex vivo pour la cartographie de dépôt de particules aérosolisées dans le tractus respiratoire », un modèle utilisé pour prédire les lieux de dépôts de particules inhalées dans les poumons. En effet, en fonction de différents paramètres telle la taille des particules inhalées, les régions de dépôts dans les poumons ne sont pas les mêmes. L’inhalation de particules par des aérosols peut être utilisée pour l’administration de médicaments. Une connaissance plus précise des lieux de dépôts des particules permettrait de cibler les zones atteintes et ainsi réduire la dose de médicament à administrer et donc réduire les effets secondaires. Ce modèle ex vivo permettrait à terme de réduire les coûts des essais précliniques mais aussi de limiter l’expérimentation animale. Le doctorant Yoann MONTIGAUD a repris ce projet en octobre 2017 et continue les expériences afin d’améliorer le modèle adulte sain mais également afin de développer des modèles pathologiques et des modèles pédiatriques. La thèse de Yoann MONTIGAUD est financée par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR). L’ANR finance la recherche publique, lance des appels à projet et sélectionne certains projets considérés comme innovants.
Ce projet est un projet appliqué dont les livrables seront deux modèles sains ainsi que trois modèles pathologiques. Les conséquences de la fibrose pulmonaire sur les lieux de dépôts de particules inhalées sont actuellement étudiées au Centre d'Ingénierie et Santé du CHU de Saint-Etienne. Cette pathologie rend le tissu pulmonaire moins élastique et provoque une diminution de la capacité de diffusion de l’oxygène. Les effets de la mucoviscidose ainsi que de la broncho-pneumopathie chronique obstructive sur les lieux de dépôts pourraient également être étudiés.

Fonctionnement des poumons

Les poumons sont les organes qui permettent la respiration grâce à des échanges gazeux. Ces organes sont pairs mais asymétriques. En effet, le poumon droit possède trois lobes (lobes supérieur, moyen et inférieur) alors que le poumon gauche n’en possède que deux (lobes supérieur et inférieur). Les poumons reposent sur le diaphragme et sont protégés par la cage thoracique. 

Structure des poumons

Lors de la respiration, l’air entre par le nez ou la bouche avant d’atteindre les voies aériennes supérieures (le pharynx et le larynx). L’air passe ensuite par la trachée avant d’atteindre les bronches et enfin les alvéoles où ont lieu les échanges gazeux. Les alvéoles ont des parois très fines qui permettent l’échange quasi instantané d’oxygène et de dioxyde de carbone. C’est donc dans les alvéoles que l’oxygène est transmis au sang avant d’atteindre les organes. Le dioxyde de carbone fait lui le chemin inverse et est expulsé lors de l’expiration.

Echanges gazeux dans les poumons

Un modèle innovant

Trois types d’expériences in vivo sont actuellement réalisées afin d’étudier le dépôt des aérosols dans les poumons : sur des sujets humains, des rongeurs ou sur des porcs et primates.
Toutefois, ces expériences posent des problèmes éthiques et coûtent extrêmement cher. Des études ex vivo permettent donc d’éliminer ces écueils. Evidemment, le matériel nécessaire à la réalisation des expériences ex vivo a un coût non négligeable mais il reste bien moindre que celui engagé pour des études in vivo où beaucoup de frais annexes interviennent tel l’entretien des animaux.

Le modèle adulte est composé d’une tête plastifiée et de poumons de porc. La tête plastifiée a été réalisée grâce à un homme ayant offert son corps au laboratoire d’anatomie de Saint-Etienne. C’est donc sa tête qui a servi de base pour la confection de la tête plastifiée. Les poumons de porcs sont obtenus gratuitement auprès d’un abattoir de Saint-Etienne. Les côtes de porc étant consommées, il est impossible pour l’équipe de récupérer l’intégralité de la cage thoracique. En sortant de l’abattoir, les poumons doivent être nettoyés. On effectue ensuite une fibroscopie bronchique afin d’éliminer tout éventuel caillot ou blocage dans les bronches. Pour les modèles pédiatriques, de plus petits animaux sont utilisés comme par exemple le lapin pour se conformer au plus près à la taille des poumons du nourrisson.

Tête plastifiée (à gauche) et poumons de porc (à droite)

Dans la littérature, il est possible de trouver des valeurs correspondant aux valeurs moyennes de temps d’inspiration, d’expiration, le volume courant (VC) correspondant au volume d’air déplacé lors de la respiration ainsi que la compliance pulmonaire. Afin de vérifier la concordance des valeurs entre le modèle et la réalité, des mesures doivent être effectuées en laboratoire. Pour obtenir ces valeurs, les poumons sont placés dans une enceinte hermétique et la trachée du porc est connectée sur la tête plastifiée à l’aide d’un tuyau. Les dépressions réalisées dans l’enceinte hermétique permettent d’imiter les dépressions qui ont lieux dans la cage thoracique par la contraction du diaphragme. Ce sont ces dépressions qui permettent la respiration. 

Afin de quantifier le dépôt des particules aérosolisées en fonction des zones des poumons, une scintigraphie est réalisée à l’aide de Krypton 81, une particule radioactive dont la demi-vie est de 13 secondes. La scintigraphie pulmonaire permet généralement de diagnostiquer une embolie pulmonaire. Elle se déroule en deux étapes. La première est la ventilation pulmonaire. Le patient respire un aérosol contenant du Krypton 81. Le parcours de ces particules radioactives est suivi grâce à une caméra gamma. La demi-vie très courte du Krypton 81 n’irradie les poumons que pendant la durée de l’examen. La deuxième étape est la perfusion pulmonaire. Le traceur est cette fois-ci injecté dans le sang. Cette deuxième étape ne peut pas être réalisée au laboratoire car il n’y a pas de circulation sanguine dans le modèle. 
Mais étudier un modèle sain n’est pas suffisant puisque cette étude a pour but de faciliter et d’améliorer le traitement de certaines maladies pulmonaires. Il est donc nécessaire d’étudier également les lieux de dépôts des particules sur des poumons malades. Afin d’imiter la diminution de l’élasticité des tissus pulmonaires sur un sujet atteint de fibrose pulmonaire, on applique de la glue sur certaines parties du poumon.  

Quel avenir pour ces modèles ?

Ces modèles sont une alternative aux expériences in vivo sur les animaux. Cependant, ces expériences ex vivo ont des limites. En effet, il est impossible d’obtenir une respiration spontanée sur ces modèles. De plus, pour le moment, toutes les expériences ont lieu en position horizontale et en l’absence de cage thoracique pour limiter l’inflation des poumons. Ce sont donc plusieurs points d’amélioration du modèle sur lesquels les chercheurs au CIS de Saint-Etienne sont actuellement en train de travailler. Des études vont également être menées sur une possible utilisation de la cigarette électronique à des fins médicamenteuses.

Quelques définitions :

- Fibroscopie bronchique : examen médical qui consiste à introduire par les voies aériennes supérieures un tube flexible afin de déceler une anomalie, une obstruction bronchique, une infection ou une tumeur
- Compliance pulmonaire : capacité du poumon à modifier son volume en réponse à une variation de pression
- Demi-vie radioactive : le temps au bout duquel la moitié des noyaux radioactifs d’une source se sont désintégrés
- Embolie pulmonaire : apparaît lorsqu’une artère pulmonaire ou l’une de ses branches est bouchée par un caillot de sang

Estelle DELETTRE