Une puce organique humaine révèle les mécanismes de l’invasion métastatique

Cancer devient nettement plus mortel dès lors qu’il cesse d’être localisé. La majorité des décès liés à la maladie ne sont pas imputables à la tumeur primaire, mais aux cellules qui se détachent, circulent via le sang et forment de nouvelles tumeurs dans des organes éloignés. Ce processus, appelé métastase, représente au moins deux tiers des décès par cancer. Pourtant, malgré des décennies de recherches, les traitements spécifiquement conçus pour prévenir ou freiner la progression métastatique ont obtenu des résultats limités.

L’un des principaux obstacles réside dans le manque de modèles humains prédictifs permettant d’observer en continu cette cascade biologique et d’identifier pourquoi certains organes sont particulièrement vulnérables. Les études animales ont fourni des éléments précieux sur la dissémination tumorale, mais la physiologie des rongeurs ne reproduit pas fidèlement ce qui se produit chez les patients. Ces écarts pourraient expliquer pourquoi des thérapies prometteuses chez l’animal échouent fréquemment lors des essais cliniques.

Une équipe de Columbia Engineering a mis au point une puce multi-organes capable de recréer l’une des phases les plus difficiles à saisir de la métastase : l’entrée de cellules cancéreuses mammaires circulantes dans des tissus humains ingénierés d’os et de poumon. Ce dispositif, dirigé par la professeure Gordana Vunjak-Novakovic, a fait l’objet d’une publication dans Science Translational Medicine le 19 août 2026. Il s’agit du premier modèle de ce type, composé de compartiments distincts abritant des tissus osseux et pulmonaires à l’échelle millimétrique, reliés entre eux par un canal vasculaire dynamique.

Ce système va au-delà d’une simple juxtaposition de cellules cancéreuses et de tissus humains. Il permet d’observer en temps réel les échanges continus de signaux entre les cellules circulantes et les organes qu’elles pourraient coloniser. « Le besoin pressant de développer des modèles de tissus humains pour étudier la métastase a été une motivation centrale de notre travail », a déclaré Vunjak-Novakovic, professeure universitaire à l’université Columbia, titulaire de la chaire Mikati Foundation en génie biomédical et professeure en sciences médicales (médecine). « Notre objectif était d’analyser la capacité des cellules cancéreuses à adhérer à l’endothélium — la couche interne des vaisseaux sanguins — et à le traverser, puis d’évaluer leur aptitude à survivre dans les tissus cibles grâce à une reprogrammation cellulaire et une remodelage du microenvironnement. »

L’atteinte d’un organe distant n’est que le début du processus métastatique. Les cellules tumorales doivent d’abord s’ancrer à la paroi vasculaire, franchir cette barrière, échapper aux défenses locales et s’adapter à un tissu inconnu. Seule alors peut commencer leur prolifération et la formation d’une tumeur secondaire. Cette étape, nommée colonisation organique, est extrêmement difficile à observer directement chez les patients ou à reproduire avec précision chez les animaux. La métastase est aussi sélective : certaines cellules cancéreuses présentent une affinité marquée pour des organes précis, phénomène désigné sous le terme de « tropisme organique ». Le cancer du sein envahit fréquemment l’os et le poumon, rendant ces tissus particulièrement pertinents pour tester la capacité de la puce à reproduire des comportements observés chez l’humain.

La plateforme accepte aussi bien des cellules provenant de patients que des tissus humains ingénierés, offrant ainsi un outil pour explorer les différences individuelles dans le comportement métastatique. Les chercheurs peuvent modifier un seul composant à la fois, étudier les interactions propres à chaque organe et identifier des voies moléculaires susceptibles de devenir des cibles thérapeutiques.

« Le cancer est malheureusement très astucieux », a souligné Vunjak-Novakovic. « Nous avons compris comment les cellules franchissent les barrières pour passer de la circulation sanguine vers les tissus. Nous avons également réussi à reproduire un phénomène clinique : les cellules cancéreuses conditionnent les tissus cibles, même avant de les coloniser, afin de les rendre plus réceptifs. »

L’équipe a généré des tissus osseux, pulmonaires et endothéliaux vasculaires à partir de cellules souches pluripotentes induites (iPSC), capables de se différencier en de nombreux types cellulaires spécialisés. Des matrices tissu-spécifiques et des bioréacteurs ont permis la maturation de chaque tissu, tandis que des compartiments séparés assuraient la stabilité fonctionnelle dans le temps. Une circulation vasculaire a ensuite relié ces compartiments. Une barrière endothéliale sélectivement perméable, reproduisant la paroi des vaisseaux sanguins, séparait le canal circulant des tissus organiques. Les chercheurs y ont introduit des cellules cancéreuses mammaires et suivi leur interaction avec la barrière, leur passage dans le tissu adjacent et l’établissement de schémas distincts de colonisation.

Les résultats reflétaient fidèlement les préférences connues des cellules. Celles qui migrent naturellement vers l’os ont colonisé plus intensément l’os ingénieré et y ont provoqué une dégénérescence plus étendue. Celles dotées d’une affinité pour le poumon ont causé davantage de dommages pulmonaires tout en colonisant l’os de façon modérée. Les différences observées dans l’invasion tissulaire et les molécules sécrétées confirment que le dispositif capture des caractéristiques clés de la métastase spécifique à chaque organe.

La puce reproduit également un aspect plus insidieux de la dissémination tumorale : avant d’occuper pleinement un organe distant, les cellules métastatiques peuvent libérer des signaux modifiant son environnement pour faciliter l’invasion ultérieure. Ce phénomène, appelé formation de niche pré-métastatique, a été mis en évidence dans les deux compartiments tissulaires. Recréer cette transformation précoce ouvre la voie à l’étude de stratégies capables d’interrompre la métastase avant l’établissement d’une tumeur secondaire.

« Les principaux atouts de ce modèle avancé résident dans son caractère entièrement humain et sa compatibilité avec les cellules de patients », a indiqué Vunjak-Novakovic. « Il reproduit fidèlement certains aspects clés de la métastase humaine, autrement inaccessibles à l’étude directe. »

Vunjak-Novakovic dirige le Laboratoire des cellules souches et du génie tissulaire de Columbia, l’un des premiers laboratoires à avoir développé des systèmes microphysiologiques, souvent désignés comme « organes sur puce ». Ces plates-formes miniaturisées de tissus humains visent à modéliser les maladies et les réponses aux médicaments dans des conditions plus proches de la physiologie réelle que les cultures cellulaires conventionnelles.

Le projet a rassemblé des chercheurs du Herbert Irving Comprehensive Cancer Center de Columbia, notamment Andrea Califano, professeur Clyde et Helen Wu en biologie chimique et des systèmes ; Peter Sims, professeur associé en biologie des systèmes ; et Hanina Hibshoosh, professeure en pathologie et biologie cellulaire. Plutôt que de remplacer intégralement la recherche animale, les tissus humains ingénierés visent à combler des lacunes critiques et à aider les scientifiques à distinguer les découvertes les plus susceptibles de se traduire chez les patients. Ilaria Baldassarri, doctorante en génie biomédical à Columbia Engineering et l’un des auteurs principaux de l’étude, a souligné que la plateforme illustre concrètement cette approche émergente.

« Alors que la FDA et les NIH accordent une importance croissante aux nouvelles méthodologies expérimentales, cette étude constitue un exemple tangible de ce changement appliqué à l’un des traits les plus redoutables du cancer : la métastase », a-t-elle déclaré.

Référence : « Organ-specific colonization and niche remodeling in a human tissue model of metastasis », par Alan G. Chramiec, Ilaria Baldassarri, Ece Öztürk, Daniel Naveed Tavakol, Miranda C. Wang, Max Summers, Keith Yeager, Richard Z. Zhuang, Anushka Srivastava, Somnath Tagore, Diogo Teles, Hanina Hibshoosh, Andrea Califano, Peter A. Sims et Gordana Vunjak-Novakovic, 19 août 2026, Science Translational Medicine. DOI : 10.1126/scitranslmed.adv6871

Cette étude a bénéficié d’un financement du NIH/Institut national du cancer et de l’initiative Chan Zuckerberg.