EN | FR
EN | FR
Rechercher
Développer des modèles précliniques COVID-19

COVID-19

Les coronavirus sont une grande famille de virus qui provoquent généralement une infection légère à modérée des voies respiratoires supérieures. Le SRAS-CoV-2 est un agent pathogène zoonotique (un virus capable de traverser les espèces et d'infecter plusieurs hôtes) et est responsable de la pandémie actuelle de COVID-19. De nombreux détails ont déjà été établis sur la façon dont le virus se propage et peut provoquer une insuffisance respiratoire et une septicémie chez les populations vulnérables. Pourtant, d'importantes questions scientifiques entourant le COVID-19 restent sans réponse : 

  • Pourquoi certains patients mal oxygénés continuent-ils à respirer normalement (hypoxémie silencieuse) alors que d'autres deviennent sévèrement dyspnéiques ?
  • Qu'est-ce que les patients avec des poumons normalement compliants (phénotype L) passent parfois à un poumon à haute élastance (phénotype H) ?
  • Existe-t-il des marqueurs prédictifs pour déterminer si les patients répondront aux interventions médicales (médicaments, traitements au monoxyde d'azote, ventilation en décubitus ventral) ?
  • Comment mieux valider de nouvelles thérapies et vaccins avant de lancer des essais cliniques complexes et coûteux ?


Développer des modèles précliniques COVID-19 qui imitent étroitement la progression clinique de la maladie est essentiel pour comprendre la maladie et comment nous pouvons traiter efficacement les patients. Les défis liés au développement de tels modèles sont nombreux. Ils comprennent l'infection et la réplication du SRAS-CoV-2 chez les sujets hôtes, le développement des caractéristiques cliniques du COVID-19 et la garantie que le modèle de recherche est reproductible. Puisqu'en sciences, "tous les modèles sont faux, mais certains modèles sont utiles », il est donc essentiel de développer le bon modèle pour répondre à la bonne question.

Une autre considération importante pour la recherche COVID est de BSL3 ou non de BSL3 - telle est la question ! Compte tenu de sa virulence élevée, une installation de niveau 3 de sécurité biologique animale (ABSL-3) est nécessaire pour travailler avec l'agent pathogène SARS-CoV-2. Les laboratoires BSL-3 nécessitent un équipement de protection individuelle (EPI) complet et des protocoles de sécurité stricts pour assurer la sécurité du personnel de laboratoire. Travailler directement avec des agents pathogènes dangereux comme le SRAS-CoV-2 est nécessaire pour comprendre leurs mécanismes de transmission, leur processus de réplication et leurs mécanismes physiopathologiques.

De nombreux scientifiques qui n'ont pas accès aux installations BSL-3 sont impatients de se joindre à la lutte contre le COVID-19. Alors que les scientifiques qui travaillent dans des laboratoires conventionnels (non BSL-3) ne peuvent pas travailler directement avec le SRAS-CoV-2, ils peuvent se tourner vers différentes techniques de modélisation pour reproduire les symptômes de la maladie. Les modèles de substitution peuvent reproduire des éléments spécifiques du COVID-19 comme les lésions pulmonaires ou la pneumonie, ainsi que divers composants de la réponse immunitaire qui rendent certains patients plus vulnérables au COVID-19.

Modèles BSL-3

Les chercheurs qui ont accès à un laboratoire BSL-3 peuvent s'appuyer sur différents modèles animaux pour étudier le COVID-19 :

Modèles de souris

Les souris sont souvent un sujet privilégié de recherche biomédicale sur les mammifères en raison des nombreuses données de référence trouvées dans la littérature scientifique, de leur capacité à manipuler génétiquement leur génome, de leur faible coût et de leur courte durée de vie. Malheureusement pour les chercheurs du COVID-19, le récepteur ACE2 de la souris qui se lie d'abord au SRAS-CoV-2 pendant l'infection est significativement différent de celui trouvé chez l'homme. Par conséquent, les souris ne présentent pas de symptômes de COVID-19 à moins que leur système immunitaire ne soit compromis ou qu'un modèle de vieillissement ne soit utilisé. Les scientifiques s'appuient donc sur diverses techniques pour humaniser les souris et les rendre plus sensibles à la maladie.

Il est probable qu'une combinaison de toutes ces techniques de modélisation de la maladie sera nécessaire pour répondre au nombre croissant de questions sur le virus.

Hamster syrien doré (Mesocricetus auratus)

Les hamsters deviennent rapidement un allié important dans la lutte contre le COVID-19. Les paramètres de dépistage importants chez les hamsters exposés au SRAS-CoV-2 comprennent la perte de poids induite par l'infection (15-20%), la charge virale, le poids des poumons à l'autopsie, la léthargie et les modifications de ses schémas respiratoires. De plus, les hamsters malades infectaient systématiquement les hamsters naïfs co-hébergés. Tous les hamsters infectés se sont finalement remis de la maladie et ont développé des anticorps. Le modèle de hamster récapitule bon nombre des caractéristiques de réplication virale et des symptômes cliniques recherchés par les scientifiques et deviendra probablement plus répandu dans les laboratoires de recherche COVID-19.

Modèles animaux plus grands (rats, furets, PNH)

La lutte contre la COVID-19 impliquera probablement une multitude d'autres modèles de recherche y compris les rats, les furets, les porcs et les primates.

  • Rats offrent des avantages limités par rapport aux modèles de souris pour les études infectieuses car ils ont des récepteurs ACE2 similaires avec une faible affinité pour l'agent pathogène SARS-CoV-2. Une exception notable est qu'il s'agit de sujets plus grands et que, par conséquent, davantage d'échantillons biologiques peuvent être prélevés au cours d'une expérience.
  • Furets, d'autre part, sont un modèle prometteur car le virus SARS-CoV-2 se réplique dans leurs poumons et leurs intestins, et il a été démontré qu'ils transmettent le virus aux cages adjacentes. À l'heure actuelle, aucune manifestation clinique manifeste de COVID-19 n'a été confirmée dans le modèle du furet malgré sa physiologie respiratoire plus humaine. L'arbre des voies respiratoires du furet a plus de générations que les souris et ils peuvent tousser et éternuer, ce qui s'est avéré perspicace pour d'autres maladies pulmonaires.
  • Primates non humains (PNH) sont inestimables pour la recherche sur les maladies infectieuses car ils partagent de nombreuses voies biologiques présentes chez l'homme, ce qui en fait un modèle important pour le développement de produits biologiques et de vaccins. Cependant, l'utilisation de primates pour la recherche en sciences de la vie est limitée à quelques centres hautement spécialisés en raison de considérations éthiques, d'une disponibilité limitée et du coût.
 
 
Modèles de souris pour la recherche COVID-19
 

Modèles non BSL-3

Les modèles de substitution peuvent aider à identifier les voies immunitaires, à identifier les cibles médicamenteuses et à évaluer de nouvelles stratégies thérapeutiques. Les scientifiques qui travaillent dans des laboratoires conventionnels peuvent également modéliser les comorbidités du COVID-19 (par exemple, le diabète, l'obésité, les lésions pulmonaires induites par la ventilation, les infections bactériennes) et développer des informations qui guideront la pratique clinique et sauveront des vies.

Modèle LPS du syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA)

On estime que 70 % des décès liés au COVID-19 sont attribués à une insuffisance respiratoire. En tant que tels, les modèles murins du SDRA deviendront certainement plus répandus et utilisés dans la recherche sur le COVID-19. L'administration de lipopolysaccharide (LPS), que ce soit par voie intratrachéale, systémique ou par voie oropharyngée, est l'un des modèles les plus courants d'inflammation pulmonaire aiguë et de SDRA chez les rongeurs. Au-delà de l'insulte primaire au LPS, les chercheurs peuvent appliquer des stimuli supplémentaires tels qu'une ventilation mécanique prolongée ou nuisible pour aggraver la maladie et mieux reproduire le humain physiopathologie.

Les chercheurs utilisent diverses souches de souris pour les études de modélisation du LPS, le C57BL/6 étant le plus largement publié dans le domaine. Le modèle LPS a aidé à faire la lumière sur les voies immunitaires impliquées dans la résolution des lésions pulmonaires aiguës et a contribué au développement de stratégies thérapeutiques interventionnelles et de ventilation qui minimisent les dommages à long terme aux poumons. En permettant aux scientifiques de combiner des paramètres hémodynamiques et pulmonaires complets chez différentes souris knock-out, le modèle LPS aidera sûrement à percer certains des mystères les plus importants de COVID-19, même sans l'implication de son acteur principal, le SARS-CoV-2. 

Modèles d'infection grippale

Les coronavirus diffèrent considérablement des virus de la grippe. Cependant, les deux agents pathogènes peuvent provoquer chez leurs hôtes des réponses prononcées qui peuvent conduire au SDRA et, à certaines occasions, à la mort. in vivo l'expérimentation avec la souche H1N1 de la grippe A ne nécessite pas d'installations BSL-3. Les modèles grippaux de lésions pulmonaires aiguës, associés à une meilleure compréhension de la pathogenèse du COVID-19, peuvent conduire à de nouvelles informations sur le SDRA viral et sur la manière dont les réponses immunitaires innées et acquises peuvent être surveillées pour identifier les patients à risque, et adaptés à améliorer la survie des patients.

Une fois les modèles de recherche pertinents développés, le défi suivant consiste à extraire des informations biologiques précieuses pouvant être extrapolées à l'homme. Mesurer des résultats physiologiques cliniquement pertinents tels que la fonction pulmonaire peut être intimidant, en particulier lorsque ces mesures sont obtenues chez des rongeurs plus petits. SCIREQ propose de nombreux instruments pour aider les non-experts à acquérir des résultats prédictifs qui génèrent des informations précieuses qui peuvent être diffusées aux scientifiques et cliniciens du monde entier.

Modélisation de la maladie, résultats translationnels et administration de médicaments

Le flexiVent est une plateforme de recherche pulmonaire avancée hautement adaptée pour aider à l'expérimentation préclinique COVID-19. Le flexiVent mesure les résultats détaillés de la fonction pulmonaire chez les animaux infectés par le SRAS-CoV-2, les modèles de SDRA induits par le LPS, les knock-outs génétiques et les groupes de traitement, permettant aux scientifiques de tester leurs hypothèses dans des organismes complexes qui récapitulent étroitement la biologie humaine. L'automatisation logicielle standardise les conditions expérimentales pour créer le plus haut niveau de reproductibilité et produit des rapports complets pour diffuser facilement les découvertes scientifiques à la communauté des chercheurs.

Génération de modèles de maladies et d'interventions thérapeutiques fiables

La conception du ventilateur programmable par ordinateur, les fonctions de script et les capacités d'administration d'aérosols du flexiVent sont les pierres angulaires de nombreuses expériences ARDS. Premièrement, le flexiVent peut synchroniser l'activation d'un nébuliseur Aerogen avec le cycle inspiratoire pour délivrer avec précision des composés aérosolisés tels que des médicaments, du LPS, de l'élastase et de la bléomycine profondément dans les poumons des sujets intubés. Cette administration d'aérosol assistée par ventilateur offre un profil de dépôt plus reproductible et homogène que l'instillation intratrachéale. Le flexiVent peut en outre appliquer une grande variété de modes de ventilation nuisibles ou protecteurs (volumes courants faibles ou élevés, faible PEP, etc.) pour reproduire les manifestations cliniques du SDRA et des lésions pulmonaires induites par le ventilateur chez les animaux.

Évaluation complète de la fonction pulmonaire

Une fois le modèle approprié généré, il est essentiel de corréler les symptômes cliniques de la COVID et la progression des mesures translationnelles. Comme indiqué ci-dessus, il existe des rapports émergents sur deux phénotypes de la maladie, le type L et le type H, chacun avec des caractéristiques spécifiques. Taper L inclut Lquelle élastance, Lpoids des poumons, et Low échange gazeux, où les poumons se comportent avec une distensibilité presque normale, mais les patients présentent une hypoxémie sévère. Le type H comprend Hhaute élastance, Hpoids pulmonaire élevé, et Hrecrutement élevé, présentant toutes les caractéristiques du syndrome de détresse respiratoire aiguë sévère (SDRA).

Le flexiVent utilise la technique d'oscillation forcée (FOT) pour mesurer quantitativement les propriétés mécaniques des poumons et des voies respiratoires chez un large éventail de sujets (souris, hamsters, rats, furets). Il offre de nombreux résultats de mécanique respiratoire cliniquement pertinents pour les modèles de phénotype de la maladie COVID-19 :

  • Conformité statique et les résultats du travail respiratoire sondent la distensibilité du parenchyme, qui peut être affectée par des agents pathogènes étrangers et des œdèmes. La compliance statique et le travail respiratoire peuvent aider à discerner entre le poumon normalement compliant (phénotype L) et le phénotype à haute élastance (phénotype H) présents dans le COVID-19
  • Les mesures de fréquence à large bande peuvent relier les changements physiopathologiques causés par le virus au poumon central et périphérique, aidant les scientifiques à contextualiser leurs observations. Au fur et à mesure que l'œdème se développe dans le parenchyme, ces résultats seront affectés de manière disproportionnée par rapport à leurs homologues des voies respiratoires conductrices.
  • Les mesures de la résistance pulmonaire identifient les obstructions pulmonaires et la constriction des voies respiratoires qui empêchent les sujets infectés de déplacer l'air dans et hors de leurs poumons.
  • Les résultats de l'hyperréactivité des voies respiratoires (AHR) suivent la sensibilité aux antigènes et les réponses exagérées du système immunitaire.
  • Les manœuvres de volume pulmonaire et les résultats de la spirométrie fournissent des informations supplémentaires sur les changements physiologiques, y compris l'essoufflement, et les impacts des traitements.
  • Oxygénation du sang (SPO2), un paramètre suivi de près par les cliniciens et le personnel de santé sont intégrés de manière transparente dans le logiciel, en utilisant des dispositifs de surveillance lors de la collecte de données pour suivre et enregistrer les changements au fil du temps.
  • Les cliniciens mesurent le poids des poumons des patients à l'aide d'un scanner CT et la même chose est possible chez les sujets animaux. Bien que l'acquisition d'images haute résolution soit techniquement plus difficile en raison de la petite taille des structures et du mouvement constant du système respiratoire qui produit des artefacts. L'aspect programmable du flexiVent permet des techniques de synchronisation avancées en permettant la capture d'image pendant l'apnée, ce qui augmente considérablement le contraste et la résolution de l'image.

La combinaison de ces résultats fournit une vue à 360 degrés du système respiratoire du sujet qui peut aider les scientifiques à développer une compréhension mécaniste de la progression de la maladie, à évaluer l'impact de génotypes et d'endotypes spécifiques, à titre de test nouvelles stratégies thérapeutiques.

Reproductible in vivo inhalation

 Dans COVID-19, le virus SARS-CoV-2 infecte généralement l'épithélium nasal avant de se propager au poumon périphérique, où il infecte les cellules épithéliales pulmonaires et altère la fonction pulmonaire de l'hôte. L'inExpose est une plate-forme d'inhalation contrôlée par ordinateur qui permet une exposition aux aérosols automatisée, précise et reproductible in vivo et  in vitro. Le système intègre tous les composants nécessaires pour simplifier et automatiser les études d'inhalation traditionnellement complexes, y compris les générateurs d'aérosols (par exemple, les nébuliseurs, les générateurs de poudre sèche), les options de surveillance atmosphérique et in vivo/in vitro sites d'exposition (p. ex. exposition par le nez seulement, exposition du corps entier, modèles d'exposition air/liquide). Le petit volume interne du système réduit les temps de démarrage et minimise la quantité d'article de test requis pour les études précliniques sur l'exposition aux aérosols in vivo et  in vitro.

Le système intègre tous les composants nécessaires pour simplifier et automatiser les études d'inhalation traditionnellement complexes, y compris les générateurs d'aérosols (par exemple, les nébuliseurs, les générateurs de poudre sèche), les options de surveillance atmosphérique et in vivo/in vitro sites d'exposition (p. ex. exposition par le nez seulement, exposition du corps entier, modèles d'exposition air/liquide). Le petit volume interne du système réduit les temps de démarrage et minimise la quantité d'article de test requis pour les études précliniques.

Le facteur de forme compact de l'inExpose a permis son utilisation dans les installations BSL3 et dans les environnements de laboratoire standard. Par exemple, des chercheurs de l'Utah se sont appuyés sur les tours de nez uniquement inExpose pour fournir le virus de la fièvre de la vallée du Rift MP-12 (RVFV) en aérosol dans une installation BSL-3. L'utilisation du nébuliseur Aerogen, associée à des profils de flux de biais automatisés, a produit des atmosphères d'exposition cohérentes qui ont entraîné un dépôt pulmonaire uniforme et des taux de mortalité étroitement contrôlés chez les hamsters 5 à 7 jours après l'infection (pi). Au jour 2 pi, le virus RVFV a été détecté dans la circulation systémique des animaux, indiquant que le virus était capable d'atteindre la barrière sang-gaz dans les voies respiratoires distales. Les chercheurs ont également signalé que la méthode d'exposition par le nez uniquement délivrait avec précision des doses virales et permettait de meilleures estimations de la charge virale totale délivrée par rapport à d'autres approches.

Paramètres ventilatoires conscients

La dyspnée est une caractéristique du COVID-19, en particulier pour les patients dont l'évolution clinique de la maladie s'aggrave. Pour ces patients, l'essoufflement s'installe généralement entre le quatrième et le huitième jour de la maladie et s'accompagne parfois d'une perte de l'odorat. Des changements dans les schémas respiratoires ont également été signalés dans des études impliquant des hamsters, des souris transgéniques et d'autres espèces infectées par des coronavirus.

Les schémas respiratoires peuvent être mesurés quantitativement chez des sujets précliniques à l'aide d'instruments appelés pléthysmographes. Les pléthysmographes permettent l'étude d'animaux conscients, se déplaçant librement et non influencés par l'anesthésie. Les pléthysmographes sont donc bien adaptés pour étudier la pulsion respiratoire, qui dépend à la fois des poumons et du système nerveux. Associés à un logiciel sophistiqué d'analyse des schémas respiratoires, les pléthysmographes fournissent plusieurs résultats respiratoires tels que la fréquence respiratoire, les estimations des volumes courants et d'autres indices en corrélation avec une respiration non naturelle (par exemple, penh).

Les mesures conscientes sont intrinsèquement plus variables que les expériences invasives (c'est-à-dire flexiVent) car les conditions expérimentales ne peuvent pas être standardisées au même degré. Les analyses basées sur le pléthysmographe sont souvent suivies de mesures plus mécanistes mais invasives de la mécanique respiratoire. Les techniques non invasives et invasives sont donc très complémentaires et peuvent être combinées pour caractériser la fonction respiratoire et les propriétés mécaniques des poumons.

expoCube®

In vitro exposition par inhalation

De nombreux pharmacologues se tournent vers des formulations inhalées pour traiter les patients COVID-19 avec des médicaments, des vaccins et des anticorps. La voie respiratoire confère des caractéristiques bénéfiques telles qu'un dépôt de médicaments inchangés sur le site primaire de l'infection pour maximiser son efficacité, une exposition systémique réduite pour éviter les effets secondaires indésirables dans d'autres organes et une administration non invasive. Malheureusement, le développement de médicaments inhalés se heurte à des défis de modélisation et à des coûts de développement élevés qui ont limité une adoption plus généralisée des médicaments respiratoires.

Le SCIREQ et le Fraunhofer ITEM ont uni leurs forces pour développer de meilleurs instruments de recherche pour les scientifiques de l'inhalation. L'ExpoCube permet aux chercheurs d'étudier les impacts des médicaments et autres particules en suspension dans l'air sur diverses cellules (par exemple A549, Calu-3, cellules épithéliales bronchiques humaines primaires) et tissus (par exemple PCLS) cultivés à l'interface air-liquide. La conception innovante de l'ExpoCube permet des profils de dépôt d'aérosols hautement efficaces, reproductibles et translationnels. Les chercheurs peuvent ainsi explorer l'efficacité et la toxicité des composés respiratoires et établir des corrélations in vitro/in vivo dans un modèle physiologiquement pertinent.

Télémétrie

Évaluation de la fièvre, des biopotentiels et d'autres résultats physiologiques chez les sujets ambulatoires

Le COVID-19 et d'autres maladies infectieuses peuvent affecter plusieurs systèmes d'organes, souvent avec une composante fébrile correspondante. La télémétrie numérique facilite la compréhension de jemaladies infectieuses en surveillant les effets systémiques et les réponses aux interventions, sur des modèles animaux petits et grands.

Dans une interview récente, Brent Barre de l'Institut de recherche biomédicale Lovelace explique ses études actuelles sur le SRAS-CoV-2, utilisant la télémétrie et la pléthysmographie pour surveiller l'apparition de la fièvre thermique et les résultats respiratoires pour surveiller la dyspnée.

Ces systèmes de télémétrie conviennent à la fois aux laboratoires standard et aux installations BSL-3 / BSL-4 plus strictes, car ils sont souvent utilisés pour les études de contre-mesures médicales, y compris les réponses à l'exposition au sarin. Le groupe du Dr Lewine a examiné les effets neuroprotecteurs de l'antagoniste des récepteurs NMDA, la kétamine, après une exposition. Ils ont capturé des signaux EEG avec une vidéo synchronisée pour quantifier les crises, les convulsions et les pointes interictales à l'aide pack de rongeurs montrer les mécanismes protecteurs de ce traitement. Le groupe du Dr Saxena a étudié la capacité de la butyrylcholinestérase humaine dérivée du sérum, une contre-mesure éprouvée contre les agents neurotoxiques, à protéger les cochons nains contre les effets toxiques de fortes doses de vapeur de sarin. ecgAUTO le logiciel d'analyse a évalué les changements dans les intervalles ECG associés aux anomalies cardiaques induites par le sarin.

Demander une recherche de littérature personnalisée gratuite

Gagnez du temps lors de l'évaluation de l'équipement SCIREQ en demandant à un spécialiste des applications SCIREQ d'effectuer une évaluation personnalisée. Les chercheurs recevront un rapport par e-mail incluant les publications citant SCIREQ pertinentes pour leur domaine de recherche spécifique, ainsi que des recommandations et des commentaires sur l'équipement personnalisé.
recherche littéraire. Les chercheurs recevront un rapport par e-mail montrant les publications du SCIREQ pertinentes pour leur domaine de recherche d'application spécifique, ainsi que des recommandations et des commentaires sur l'équipement personnalisé.