Les approches biologiques et notamment toxicologiques sont rendues difficiles que ce soit avec l’utilisation des modèles animaux ou avec les études sur des lignées cellulaires. Premièrement les réponses des modèles animaux peuvent être très éloignées de l’espèce pour laquelle est faite l’étude et deuxièmement les lignées cellulaires, qui sont par nature transformées, peuvent également donner des réponses éloignées de la physiologie. L’utilisation des cellules souches et des organoïdes in vitro est prometteuse pour répondre à certaines de ces difficultés.

La toxicité de notre environnement et son impact sur la santé préoccupent de plus en plus la population. Une intoxication correspond à une « introduction ou bio-accumulation d’une substance toxique dans l’organisme » : le but de la toxicologie est donc de comprendre et de prédire les effets indésirables des médicaments et autres xénobiotiques. Un xénobiotique est défini comme une molécule présente dans un organisme vivant mais qui lui est étrangère ; il n’est ni produit par l’organisme lui-même ni par l’intermédiaire de son alimentation naturelle. Un xénobiotique peut être capable de perturber le fonctionnement normal d’un individu et de conduire à un effet nocif pour l’organisme. Ces substances peuvent être des polluants de l’environnement, des additifs alimentaires ou encore des médicaments.

Les nombreux polluants de l'environnement auxquels nous sommes exposés peuvent intégrer la chaîne trophique, notamment les plantes, puis les prédateurs primaires et secondaires, catégorie à laquelle l'être humain appartient. Parmi ces toxiques environnementaux figurent les Polluants Organiques Persistants, tels que les polychlorobiphényles (PCB) et les dioxines. Ces molécules s'accumulent au niveau cellulaire, notamment au niveau des adipocytes ce qui rend leur élimination très difficile (La Rocca et Mantovani, 2006). D'autres types de polluants, comme les métaux lourds et les pesticides, peuvent également poser des problèmes sanitaires. Les toxiques naturels peuvent aussi poser des problèmes comme par exemple les empoisonnements plus fréquents aux toxines produites par les cyanobactéries qui explosent avec le réchauffement climatique (Abeysiriwardena et al., 2018).

Les médicaments sont également considérés comme des xénobiotiques et sont donc fortement concernés par les études toxicologiques. En effet, les médicaments sont par essence des substances bioactives qui peuvent être toxiques lorsqu'elles ne sont pas utilisées à bon escient ou pas adaptées à l'organisme cible. Ainsi, les substances développées pour l'espèce humaine ne sont pas forcément, loin s'en faut, compatibles avec un usage vétérinaire. Les médicaments que l'on achète en vente libre peuvent être très dangereux pour les animaux de compagnie. L'aspirine, l'ibuprofen sont deux exemples de composés pharmaceutiques très toxiques chez le chat et le chien puisqu'ils peuvent conduire jusqu'au coma. Les enzymes dégradant les molécules dans l'organisme ne sont peu ou pas présentes chez ces espèces : avec des doses aussi faibles que 50 mg/kg de sévères complications au foie et aux reins peuvent advenir chez le chien (Tauk et Foster, 2016). Un autre exemple concret de différences inter-espèces de susceptibilité est celui des souris chargées au paracétamol placées sur l'île de Guam pour réduire considérablement le nombre de spécimen de serpent Boiga irregularis (Johnston et al., 2002).

Les études toxicologiques sont donc nécessaires pour évaluer le bénéfice-risque des futurs médicaments et l’éventuelle toxicité des pesticides sur les espèces non-cibles avant ou après leur mise sur le marché.

D’un point de vue éthique, les xénobiotiques ne peuvent être testés chez l’humain. Seules des évaluations cliniques, des tests psychométriques ou neurosensoriels, des examens électrophysiologiques ou d’imagerie peuvent être réalisés. Ainsi diverses approches expérimentales ont été développées à savoir les modèles in vivo, in vitro et in silico.

Les modèles in silico sont des expérimentations par ordinateur : elles stockent, compulsent, échangent et utilisent des informations provenant d'expériences in vitro et in vivo précédemment effectuées. De telles méthodes numériques permettent de prédire la toxicocinétique d'une molécule tout en réduisant le coût et la durée des études. Différents modèles in silico ont ainsi été mis en place pour décrire la relation entre la structure chimique et l'activité d'un composé à savoir les modèles de relation structure-activité (SAR, Structure–Activity Relationship et les modèles quantitatifs de relation structure-activité (QSAR, Quantitative Structure–Activity Relationship). Dans le modèle de toxicocinétique classique ou mono-compartimental il est possible de prédire la concentration du toxique en fonction du temps et de la dose d'exposition. Dans le modèle de pharmacocinétique basée sur la physiologie (PBPK pour Physiologically Based Pharmaco Kinetic modelling), il est nécessaire de se reposer sur une connaissance réelle du système en subdivisant l'organisme en compartiments reliés entre eux par un fluide circulant (Coumoul et al., 2023).

Les modèles in vivo les plus utilisés sont le rat, la souris, le lapin, le cochon d'Inde, le cochon nain car ils présentent des similitudes physiologiques et moléculaires avec l'humain. Néanmoins, les effets d'une substance toxique peuvent varier en fonction du temps d'exposition, de la dose et de la voie d'exposition. En accord avec les lignes directrices de l'OCDE, quatre protocoles sont mis en place dans les études toxicologiques pour tester : la toxicité aigüe, la toxicité subaigüe, la toxicité sub-chronique, et la toxicité chronique (Coumoul et al., 2023). Pour les médicaments et l'Autorisation de la Mise sur le Marché (AMM) les essais pré-cliniques sont conduits sur des organismes modèles (le plus souvent rongeurs) dans des conditions expérimentales et les essais cliniques sont réalisés sur l'espèce cible.

L’expérimentation animale permet d’étudier sur un même individu les effets d’une molécule toxique sur la physiologie et le métabolisme dans son ensemble pouvant prédire la toxicité chez l’humain. L’impact toxicologique d’une substance est généralement étudié suivant le concept d’ADME : l’Absorption, la Distribution dans l’organisme, la Métabolisation et l’Élimination. Ces processus reflètent la capacité d’un organisme à gérer un xénobiotique, à le bio-accumuler ou à l’éliminer. D’un individu à un autre et d’une espèce à une autre, les variations peuvent être importantes et donc engendrer une réponse différente de l’organisme à un toxique ou traitement médicamenteux.

Ces tests in vivo nécessitent un grand nombre d'animaux et dans le cadre de la protection animale, le principe des 3R (Replace/Reduce/Refine) défini en 1959 par Russell et Burch, est devenu est un des principes fondamentaux de recherche sous-tendu par les exigences de la directive 2010/63/CE1. Cette règle des 3R consiste donc à remplacer l'expérimentation animale dès que possible et à optimiser les méthodologies employées à cette fin pour garantir un niveau de résultats scientifiques élevé. De plus, la réglementation européenne REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and restriction of CHemicals) pour l'enregistrement, l'évaluation, l'autorisation et la restriction des substances chimiques favorise également les méthodes in vitro et in silico (Jean-Quartier et al., 2018).

C’est dans ce contexte que se place toute l’importance des méthodes in vitro qui se sont développées au cours des dernières décennies. Il existe deux grands modèles de culture cellulaire pour tester la toxicologie de xénobiotiques.

Les cultures primaires dérivent directement de cellules issues d’un organisme. Ces cellules sont isolées par dissociation mécanique et /ou chimiques notamment grâce à des enzymes. Elles ont un nombre de divisions cellulaires limitées, ce qui rend ces modèles de culture assez proches de l’état physiologique des cellules dans l’organisme. Parmi les cultures primaires, les cultures de cellules souches sont un outil précieux notamment en médecine. En effet ce sont des cellules indifférenciées et pluripotentes qui peuvent donner différents types de cellules selon les milieux de culture. Ce type de culture a connu une forte expansion avec les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) : ces cellules découvertes en 2006 par Shinya Yamanaka (prix Nobel de médecine en 2012) permettent l’obtention de différents types cellulaires à partir cette fois d’une cellule somatique unique. Quant aux lignées cellulaires, elles dérivent de cellules cancéreuses ou ont été immortalisées par transfection d’un oncogène viral à partir de culture primaire. Dans ce cas, le nombre de divisions cellulaires est proche de l’infini et la même culture peut être entretenue longtemps sans risque de dérives. Elles permettent d’obtenir des résultats plus reproductibles, rapidement et ce à moindre coût.

Il existe différents types de méthode de culture : les cultures en monocouches de cellules en deux dimensions (2D) et les cultures en 3 dimensions (3D). Si la culture en 2D favorise la prolifération et donc son étude, elle ne reproduit pas l'ensemble des conditions de l'organisme vivant (Yamada et Cukierman, 2007 ; Costa et al., 2016). La culture en 3D permet de mieux préserver la différenciation cellulaire via les interactions avec l'environnement. Des modèles de co-culture en 3D permettent l'association de différents types cellulaires favorisant les interactions et les communications intercellulaires normalement présentes in vivo. Grâce à ces modèles in vitro de nombreux paramètres toxicologiques peuvent être évalués pour étudier l'impact d'une molécule et ainsi déterminer la cytotoxicité, la génotoxicité, les modifications du métabolisme énergétique ou encore des processus de différenciation. L'utilisation de lignées humaines permet l'extrapolation des données à l'humain.

Ainsi, parmi ces différents modèles cellulaires, les cultures primaires de cellules souches ou la culture d’organoïdes (cf. paragraphe 2) apparaissent comme de bons compromis : d’une part pour réduire le nombre d’animaux, d’autre part pour réduire certains biais expérimentaux. Ces modèles de cultures cellulaires sont particulièrement intéressants pour l’étude des effets toxiques des polluants environnementaux et des mécanismes cellulaires sous-jacents.

Les différents tests expérimentaux mis en place pour étudier l'impact de ces expositions impliquent souvent l'utilisation de modèles animaux, en période de gestation (exposition in utero) et également en période de lactation (Laugeray et al., 2017). De plus, le relevé des observations se fait sur différentes fonctions systémiques ce qui augmente le nombre d'animaux utilisés. Lorsqu'il s'agit d'étudier la toxicologie de xénobiotiques sur les animaux de rente, les animaux sauvages ou sur l'humain, ces études in vivo deviennent extrêmement compliquées à mettre en œuvre pour des questions éthiques et financières. Dans la logique des AOP et de la règle des 3R des méthodes in vitro sont couramment utilisées pour tenter d'expliquer les mécanismes moléculaires sous-jacents. De plus, des modèles plus simplifiés et rapides appuyés par des outils de traitement de données et de modélisations sont très attendus par la communauté scientifique. Avec les avancées technologiques et scientifiques, les modèles in vitro sont associés à des outils avancés de « bio-omiques » : la génomique pour l'étude des gènes et des modifications épigénétiques, la transcriptomique pour l'étude des molécules d'ARN, la protéomique pour l'étude des protéines et encore la métabolomique pour l'étude des réponses métabolomiques (Karahahil, 2016 ; Pieters et al., 2021). Ces techniques génèrent beaucoup de données et contribuent à rendre l'évaluation prédictive plus rapide et fiable pour caractériser le danger de ces expositions (D'Almeida et al., 2020). Les multiples données générées via ces modèles peuvent être analysées et des outils informatiques peuvent permettre la mise en évidence de la forte significativité des résultats obtenus en comparaison aux données obtenues sur des tests in vivo chez l'animal.

Au sein du laboratoire, les cellules souches utilisées en tant que modèle in vitro de toxicité ont été isolées à partir de la zone ventriculaire sous-ventriculaire (V-SVZ). Ces études ont recherché les potentiels effets délétères d'herbicide, le glufosinate d'ammonium (Feat-Vetel et al., 2018) ainsi que ceux d'une toxine environnementale, la β-N-méthylamino-L-alanine (BMAA) (Méresse et al., 2022).

Dans la recherche biomédicale humaine, les organoïdes trouvent de nombreuses applications comme modèles de recherche in vitro, par exemple pour l'étude de la toxicologie, des processus de développement, des maladies congénitales, des maladies infectieuses (Castellanos-Gonzalez et al., 2013), du cancer (Drost et Clevers, 2018) et de la médecine régénérative (Nakamura et Sato, 2018). De plus, ceux-ci sont de mieux en mieux définis et sont accessibles afin d'obtenir des informations phénotypiques sur les aspects cellulaires et moléculaires sous-jacents.

Les organoïdes peuvent être d'une grande utilité dans la recherche sur les animaux d’élevage et la recherche vétérinaire. En effet, leur utilisation peut permettre une meilleure compréhension de la physiologie animale, de la nutrition animale, de l'interaction hôte-microbe, et peut contribuer au phénotypage in vitro des animaux reproducteurs. Malgré cela, davantage de recherches sont nécessaires. En effet, il y a encore relativement peu d'études sur les organoïdes dans le domaine de la recherche vétérinaire et de la production animale. À ce jour, il n’existe pas de modèle in vitro en trois dimensions pour certaines espèces. Lorsque que ceux-ci sont présents, bien souvent, la plupart des organoïdes mis en place sont uniquement intestinaux.

Par rapport aux autres modèles in vitro, les organoïdes reproduisent mieux la structure et la fonction des tissus. Par rapport aux organes intacts, ce sont des modèles fortement simplifiés, ce qui représente un avantage pour les études visant à identifier des mécanismes spécifiques, mais confère également des limites claires au modèle. Ainsi, les expérimentations animales semblent toujours indispensables pour le dépistage préclinique dans le processus de découverte de médicaments. Ces besoins se retrouvent confrontés à des considérations éthiques et les différences entre les espèces demeurent. C’est pourquoi, l’utilisation de modèles d’organoïdes à partir de cellules d'origine humaine a été activement poursuivie et plébiscitée.

Aussi, ces modèles 3D ne sont pas en mesure d’être applicables dans l’ensemble des études, et ne témoignent pas des interactions des organes entre eux. Ainsi, il demeure difficile de prédire avec précision l’efficacité des médicaments et leur éventuelle toxicité. Une des pistes explorables est celle de la technique « body-on-chip ». Il s'agit d'un réseau d'organes miniatures in vitro qui s'unissent pour mimer des systèmes corporels. Ces modèles peuvent utiliser des cellules humaines, leur conférant une plus grande précision par rapport aux modèles animaux traditionnels tout en augmentant la possibilité d'une médecine personnalisée, où les cellules pourraient être dérivées de cellules souches de patients. Si l’emploi des organoïdes est une bonne alternative à l’utilisation des modèles in vivo, ces systèmes in vitro sur puces pourraient combler le fossé entre les études animales et les essais cliniques pour l'industrie pharmaceutique.