Un aperçu des méthodes et des technologies qui peuvent remplacer les animaux dans la recherche biomédicale ainsi que dans la toxicologie réglementaire

18 septembre 2019

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Nous vous parlons souvent à Pro Anima et particulièrement dans le cadre d’EthicScience, des méthodes de remplacement à l’expérimentation animale. Elles sont déjà assez nombreuses en effet et méritent vraiment d’être encouragées pour des raisons scientifiques et éthiques. Pour le moment hélas, il n’y a ni volonté politique ni financement que nous souhaiterions au moins à parité avec les sommes englouties, souvent en pure perte, pour l’expérimentation animale.

A titre d’information, le Comité scientifique Pro Anima vous indique les méthodes de remplacement à l’expérimentation animale déjà disponibles en plus de Valitox. N’hésitez pas à les diffuser autour de vous et à écrire à votre député, sénateur, pour les informer et demander leur soutien, comme nous le faisons régulièrement avec l’ensemble des pouvoirs publics et des leaders d’opinion.

A notre tour, merci de votre aide.

À titre préliminaire, et afin de garantir au lecteur une bonne compréhension des développements qui suivent, il convient de circonscrire la notion de « méthodes alternatives », qui sème parfois la confusion dans l’esprit du public. Il est donc opportun d’en éclaircir ses origines et ses applications.

Dans la monographie publiée en 1959 et intitulée The Principles of Humane Experimental Technique [Les principes d’une technique expérimentale conforme à l’éthique], les auteurs Russell et Burch proposent le principe des 3Rs, qui signifie Remplacement, Réduction et Raffinement par rapport aux expériences sur animaux.

Le terme « remplacement » peut signifier soit le remplacement relatif (par exemple, en remplaçant un animal vivant par des cellules d’animaux), soit le remplacement absolu, c’est-à-dire sans recours à l’animal vivant ou mort (par exemple en utilisant des cultures cellulaires d’origine humaine).

La « réduction » signifie utiliser le moins d’animaux possible tout en respectant les contraintes bio statistiques.

Enfin, le « raffinement » signifie minimiser la souffrance animale, par exemple par l’administration des produits analgésiques.

*Ce résumé s’inspire du document (1) dans la référence bibliographique

Précisions terminologiques : méthodologie, sémantique et épistémologie

En plus de la souffrance animale, y aurait-il d’autres raisons pour favoriser le remplacement des animaux dans la recherche biomédicale et dans la toxicologie réglementaire ?

Est-ce que les méthodes de remplacement (et en particulier le remplacement absolu) sont plus efficaces que les différentes espèces animales utilisées dans les laboratoires ? Comment des cultures cellulaires ou des logiciels informatiques pourraient-ils remplacer un système vivant complexe entier ?

Concrètement, le défi le plus important pour la science est de prédire — de façon fiable — l’effet d’une substance chimique ou biologique sur le corps humain. En ce qui concerne l’utilisation des animaux dans le cadre de la médecine humaine, son échec s’explique du fait qu’aucune espèce n’est un modèle biologique pour une autre espèce (2). Les disciplines telles que la biologie évolutive, les processus conservés et les systèmes complexes nous ont fournis les explications ainsi que les preuves de ce constat fondamental (3, 4). On peut également rajouter des données empiriques issues de l’industrie pharmaceutique qui mettent en évidence ce taux d’échec (5).

Si le modèle animal n’est pas performant pour prédire l’effet d’une substance chimique ou biologique sur le corps humain, les méthodes de remplacement en revanche sont susceptibles de l’améliorer et de le perfectionner. Soyons clairs, il est peu probable que des cultures cellulaires humaines en elles-mêmes puissent atteindre un taux de prédiction acceptable (dans l’idéal 90 ‑100%) pour tester un nouveau médicament destiné aux patients. De même, l’ordinateur le plus performant au monde serait incapable de résoudre ce problème de façon fiable vu qu’un système évolutif complexe n’est pas simulable (par sa définition).

Il s’agit donc de développer et d’utiliser une gamme de méthodes de remplacements performants afin de maximiser leurs points forts et de minimiser leurs points faibles (par exemple, minimiser les résultats dits faux positifs et faux négatifs). On parle de faux positif (test positif à tort) ou de faux négatif (test négatif à tort) quand le résultat du test est contraire à la réalité/vérité. Un test est donc faux négatif s’il indique un résultat négatif, alors que le fait étudié correspond à un cas positif (et vice versa dans le cas d’un faux positif). En l’occurrence, cela nous permet aujourd’hui d’atteindre des taux de prédiction de 70 – 90% dans le cadre de la toxicologie réglementaire. Si cela est toujours décevant face à l’idéal du 90 – 100% ces résultats sont néanmoins nettement plus acceptables que les tests sur animaux (avec un taux de prédiction en moyenne de 50%) (6, 7).

Premier objet : accès au matériel humain pour la recherche biomédicale

“Nous n’avons plus besoin de chercher un organisme modèle. Car nous sommes l’organisme modèle.” (*)

Sydney Brenner (1927 – 2019), Prix Nobel 2002 de physiologie ou médecine.

(*) https://science.sciencemag.org/content/361/6402/552.summary

Le cadre règlementaire dans lequel peut se faire la recherche biomédicale est défini, en France, par un arsenal législatif entamé avec la loi Huriet (8) et complété depuis par d’autres dispositifs (9).

La loi Jardé du 5 mars 2012, dont le décret d’application a été pris en novembre 2016, distingue 3 types de recherche : recherche interventionnelle, recherche interventionnelle à risques et contraintes minimes (nouveau type de recherche) et recherche non interventionnelle, et renforce le rôle des comités de protection des personnes (CPP).

La recherche sur l’être humain progresse aussi par bien d’autres moyens.

Biosurveillance

La biosurveillance porte sur des individus dont on évalue l’exposition à certaines substances chimiques, soit ponctuellement (pour voir combien de personnes sont exposées, par exemple), soit à intervalles réguliers (pour voir si la substance est progressivement éliminée ou si elle se maintient dans l’organisme, par exemple). Elle nécessite, le plus souvent, de disposer d’échantillons de sang ou d’urine de la population faisant l’objet de l’étude.

Un dossier sur la biosurveillance est disponible à partie de la référence bibliographique (10).

Données de vie réelle

On désigne sous le terme « données de vie réelle » des données qui sont sans intervention sur les modalités usuelles de prise en charge des malades et ne sont pas collectées dans un cadre expérimental, mais générées à l’occasion des soins réalisés en routine pour un patient, et reflètent donc a priori la pratique courante. De telles données peuvent provenir de multiples sources : elles peuvent être extraites des dossiers informatisés de patients, ou constituer un sous-produit des 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 (11).

Cohortes

Des études de cohortes suivies sur le long terme permettent, via un suivi médical régulier, des questionnaires spécifiques, etc. de produire des études mettant en rapport des facteurs de risque 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 (12).

Biobanques

Beaucoup d’expériences se font sur du matériel humain : ADN, cellules, cellules souches, organoïdes (forme complexe de culture de cellules), biopsies de tissus ou organes, organes prélevés sur des cadavres, etc.

Les chercheurs qui désirent avoir accès à ce matériel peuvent prendre contact avec des hôpitaux et convenir avec les chirurgiens ou les anatomo-pathologistes de la procédure pour récupérer ce qui peut être d’une grande utilité pour la recherche et qui aurait, sinon, été jeté : biopsies, tumeurs extraites, etc.

Ce processus étant compliqué et le matériel ainsi collecté disponible de façon aléatoire, des “biobanques” sont en cours de constitution. Il s’agit de collections de cellules ou tissus, dûment référencés et conservés.

Informations et accès à des biobanques sont disponibles sur la référence bibliographique (13) Autre lien utile (voir la Foire Aux Questions en bas de page) sur la référence bibliographique (14).

Le “modèle de dossier accompagnant les déclarations et les demandes d’autorisation de conservation et de préparation à des fins scientifiques d’éléments du corps humain” à remplir par le représentant légal de l’organisme qui souhaite prélever ces éléments du corps humain est disponible sur le lien dans la liste des références bibliographiques (15).

Les études avec des volontaires humains

Les études post mortem

Les tissus prélevés après le décès d’une personne peuvent être étudiés pour mieux comprendre les pathologies au niveau cellulaire. Les cadavres peuvent également être utilisés pour l’acquisition de compétences chirurgicales.

Études des populations (épidémiologie, bio-surveillance)

L’épidémiologie est l’étude des maladies et autres états liés à la santé chez des groupes (populations) de personnes, en particulier comment, quand et où ils se produisent. Les épidémiologistes veulent découvrir quels facteurs sont associés avec des maladies (facteurs de risque) et quels facteurs peuvent protéger les personnes contre la maladie (facteurs de protection).

Le microdosage

Le microdosage concerne l’administration d’une dose réduite du composé évalué, de sorte qu’elle ne devrait pas produire d’effet pharmacologique ou d’effet indésirable lorsqu’elle est administrée à l’humain. Le médicament est radio-marqué, ce qui permet de surveiller son trajet dans le corps à l’aide de la spectrométrie de masse par accélérateur.

La simulation dans l’enseignement médical

En médecine humaine comme en médecine vétérinaire, la simulation inclue des outils tels que la vidéo numérique, les logiciels multimédia et la réalité virtuelle, des modèles éducatifs, des mannequins et des simulateurs. De fait, ces méthodes innovantes sont désormais largement disponibles. Souvent, elles ne sont plus considérées comme « alternatives » mais comme la norme (16).

L’acquisition des compétences d’urgentiste ne nécessite en aucune façon le recours à des expériences sur des animaux. Les progrès très importants réalisés récemment en matière de simulation sur mannequin ont été une aide précieuse en terme de formation, tant pour la formation initiale que pour la formation continue. Certains fournisseurs conçoivent également des appareils de formation, comme par exemple des défibrillateurs cardiaques. Des situations cliniques sont déjà enregistrées et permettent à l’élève de s’entraîner à réagir face à une situation contextualisée. Les mannequins sont devenus un outil pédagogique incontournable et les simulateurs sont de plus en plus performants pour concevoir et mimer des pathologies de plus en plus complexes, et également évolutives. Ces techniques permettent à l’apprenant de tester ses connaissances en situation quasiment réelle. Aujourd’hui, toutes les nouvelles techniques s’enseignent grâce à la simulation (17).

Les méthodes « in vitro »

Les méthodes in vitro (l’expression latine signifie « dans le verre ») sont largement réalisées à l’extérieur d’organismes vivants et impliquent des tissus, micro-organismes, cellules ou autres matériel biologiques.

Cette section fournit un aperçu des méthodes in vitro récemment développées pouvant remplacer des expériences ou des tests sur animaux. Ils incluent des tissus 3D et des dispositifs microfluidiques, organoïdes (mini-versions d’organes) et organes-sur-puces, technologies omiques, technologies des cellules souches, Bio-impression en 3D et en 4D, et la robotisation.

Les organes sur puce et les organoïdes

Les organes sur puce représentent la concrétisation des domaines tels que les nanotechnologies et la biologie. Grâce à des systèmes de microfluidiques (microcanaux), ces dispositifs peuvent reproduire le fonction d’un organe (ou plusieurs organes) et de ses cellules.

Les organoïdes (mini organes) humains, forme sophistiquée de culture de cellules développée depuis le début des années 2010, sont de plus en plus utilisés, tant en recherche biomédicale qu’en toxicologie. Les firmes pharmaceutiques s’intéressent aux organoïdes humains et à d’autres modèles de cultures cellulaires humaines en trois dimensions. Contrairement aux expériences sur des animaux, ces modèles fournissent des données pertinentes pour l’homme, et ont une meilleure reproductibilité, se prêtent à des criblages à haut débit, sont moins chers et plus rapides. L’industrie pharmaceutique soutient le développement et la validation de systèmes d’organes-sur-puces, dans lesquels des cultures de cellules humaines issues de différents tissus sont combinées sur une puce et connectées via un système de micro-perfusion qui simule le circuit sanguin et le circuit urinaire. Récemment, une puce avec dix organes a été développée pour relayer à la fois plusieurs organes du corps (18).

Les approches « omiques »

Caractérisées comme des techniques à haut débit permettant une analyse simultanée d’un grand nombre de variables, elles comprennent principalement : la génomique (SNPs par exemple), la transcriptomique (expression des gènes et leur régulation), la protéomique (analyse des protéines), la métabolomique (étude des métabolites produits). Ces approches permettent d’obtenir de très nombreuses informations sur la réponse cellulaire et/ou tissulaire à une exposition in vitro ou in vivo (19).

Les cellules souches

En médecine, les cellules souches humaines font l’objet de nombreuses recherches depuis les années 1990, avec l’espoir de régénérer des tissus, et idéalement de reconstruire des organes (thérapie cellulaire).

En biologie cellulaire, une cellule souche est une cellule indifférenciée capable, à la fois, de générer des cellules spécialisées par différenciation cellulaire et de se maintenir dans l’organisme par prolifération ou division asymétrique. Les cellules souches sont présentes chez tous les êtres vivants multicellulaires. Elles jouent un rôle central dans le développement des organismes ainsi que dans le maintien de leur intégrité au cours de la vie (20).

Globalement, il existe trois types de cellules souches d’origine humaine : cellules souches embryonnaires, cellules souches issues du cordon ombilical et cellules souches pluripotentes induites issues de l’adulte. Ces dernières sont des cellules matures qui permettent de donner naissance à quasiment tous types de cellules de l’organisme. Cette technique passe par ailleurs par la reprogrammation génétique en laboratoire (21). Sur le plan éthique, cette technique permet également d’éviter l’utilisation des embryons humains.

La bio-impression

La bio-impression est une application biomédicale des procédés de fabrication additive permettant de produire artificiellement des tissus biologiques. La bio-impression peut être définie comme la structuration spatiale de cellules vivantes et d’autres produits biologiques en les empilant et en les assemblant en utilisant une méthode de dépôt couche par couche assistée par ordinateur pour développer des tissus vivants et des organes pour l’ingénierie tissulaire, la médecine régénérative, la pharmacocinétique et plus généralement la recherche en biologie. C’est une innovation récente qui positionne simultanément des cellules vivantes et des biomatériaux, couche par couche pour fabriquer des tissus vivants. L’utilisation principale des organes imprimés est la transplantation (22).

Comme exemple concret, l’entreprise Poietis travaille sur sa plateforme de bio-impression 4D pour répondre aux besoins en ingénierie tissulaire et en recherche de lots cliniques. L’entreprise a expliqué dans son communique cibler trois marchés par cette gamme d’imprimantes : « les modèles tissulaires in vitro alternatifs à l’expérimentation animale en dermo-cosmétique, la recherche pharmaceutique et la médecine régénérative ». Cette technologie de fabrication additive de tissus vivants devrait permettre aux chercheurs et aux cliniciens de concevoir et d’imprimer des tissus avec une résolution cellulaire, que ce soit pour de la recherche en biologie et bio-ingénierie ou de la fabrication de lots cliniques (23).

Le criblage à haut débit

Le criblage à haut débit (high-throughput screening, HTS) désigne dans le domaine de la pharmacologie, de la biochimie, de la génomique et de la protéomique, les techniques visant à étudier et à identifier dans les chimiothèques et ciblothèques, des molécules aux propriétés nouvelles, biologiquement actives.

L’expression haut débit évoque ici l’utilisation de la robotique, de l’informatique et de la bio-informatique pour accélérer la phase de test des molécules, protéines, catalyseurs, etc. en vue de processus de production de matériaux, médicaments.

Le criblage à haut débit consiste à faire réagir simultanément un grand nombre de molécules différentes avec un substrat donné, en vue d’identifier, en un minimum de temps, celles de ces molécules qui présentent un intérêt éventuel pour une application déterminée (24).

Méthodes in silico (basées sur l’informatique)

Une gamme de méthodes et d’outils in silico a été mise au point pour évaluer la toxicité, tels que les relations structure-activité (SAR) et les relations quantitatives structure-activité (QSAR), modèles pharmacocinétiques à lecture physiologique (PBPK), systèmes experts, structure de lecture croisée relations d’activité (RASAR).

Les voies des effets indésirables (AOPs, Adverse Outcome Pathways) peuvent également fournir l’explication biologique d’un événement toxique unique. Enfin, les approches intégrées de test et d’évaluation (IATA, Integrated Approaches for Testing and Assessment) est une stratégie permettant de prendre des décisions sur la toxicité de substances, basées sur plusieurs sources d’information.

Modélisation informatique

Un modèle ou une simulation sur ordinateur est un programme informatique conçu pour simuler un système biologique, par exemple. Ces simulations informatiques sont utiles pour générer des hypothèses qui pourront être ensuite testé par le biais de méthodes in vitro (25).

Dr André Ménache

Références bibliographiques

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