Biopréservation : Guide complet sur le stockage du matériel biologique

La biopréservation, qui consiste à préserver le matériel biologique pour une utilisation future, est une pierre angulaire de la recherche biomédicale moderne, du diagnostic et de la thérapeutique. Ce guide complet explore les principes, les techniques, les applications et les considérations éthiques entourant la biopréservation, offrant une perspective mondiale sur ce domaine essentiel.

Qu'est-ce que la biopréservation ?

La biopréservation englobe une série de techniques visant à maintenir la viabilité et l'intégrité du matériel biologique, tel que les cellules, les tissus, les organes, l'ADN et d'autres biospécimens. L'objectif est de minimiser la dégradation et de maintenir les propriétés fonctionnelles de ce matériel pendant des périodes prolongées. Ce matériel est essentiel pour diverses applications, notamment :

• Recherche : Étudier les maladies, développer de nouveaux traitements et comprendre les processus biologiques fondamentaux.
• Diagnostic : Identifier les maladies, surveiller la santé des patients et personnaliser les stratégies de traitement.
• Thérapeutique : Thérapies cellulaires, médecine régénérative et transplantation.
• Découverte de médicaments : Cribler des candidats médicaments potentiels et comprendre les mécanismes d'action des médicaments.
• Conservation : Préserver les espèces menacées et maintenir la biodiversité.

Techniques courantes de biopréservation

Plusieurs méthodes de biopréservation sont employées, chacune avec ses propres avantages et limitations. Le choix de la méthode dépend du type de matériel biologique, de l'application prévue et de la durée de stockage.

Cryopréservation

La cryopréservation consiste à refroidir le matériel biologique à des températures ultra-basses, généralement en utilisant de l'azote liquide (-196°C ou -320°F). À ces températures, l'activité biologique est effectivement arrêtée, ce qui empêche la dégradation et permet un stockage à long terme. Les aspects clés de la cryopréservation incluent :

• Agents cryoprotecteurs (CPA) : Ces substances, telles que le diméthylsulfoxyde (DMSO) et le glycérol, sont ajoutées au matériel pour minimiser la formation de cristaux de glace pendant la congélation et la décongélation, qui peuvent endommager les cellules. La concentration et le type de CPA doivent être soigneusement optimisés pour chaque type de cellule et de tissu.
• Congélation à vitesse contrôlée : La diminution lente de la température à une vitesse contrôlée (par exemple, 1°C par minute) minimise la formation de cristaux de glace à l'intérieur des cellules. Un équipement spécialisé est utilisé pour réaliser ce refroidissement contrôlé.
• Vitrification : Alternative à la congélation lente, la vitrification consiste à refroidir rapidement le matériel jusqu'à un état vitreux sans formation de cristaux de glace. Cela nécessite des concentrations élevées de CPA et des vitesses de refroidissement extrêmement rapides.
• Stockage : Les échantillons sont généralement stockés dans des congélateurs à azote liquide ou dans la phase vapeur au-dessus de l'azote liquide. Une surveillance adéquate de la température et des niveaux d'azote liquide est cruciale pour garantir l'intégrité de l'échantillon.

Exemple : La cryopréservation est largement utilisée pour stocker des cellules souches pour la transplantation de moelle osseuse et les applications de médecine régénérative. Par exemple, les cellules souches hématopoïétiques sont couramment cryopréservées pour une transplantation autologue (cellules du patient) ou allogénique (cellules d'un donneur) pour traiter la leucémie, le lymphome et d'autres troubles sanguins. Au Japon, les chercheurs explorent des techniques de cryopréservation pour préserver le germoplasme d'espèces menacées.

Réfrigération

La réfrigération consiste à stocker le matériel biologique à des températures supérieures au point de congélation, généralement entre 2°C et 8°C (35°F et 46°F). Cette méthode convient au stockage à court terme d'échantillons qui ne nécessitent pas de conservation à long terme. Les considérations pour la réfrigération incluent :

• Contrôle de la température : Le maintien d'une température stable dans la plage spécifiée est essentiel pour éviter la dégradation.
• Stérilité : La prévention de la contamination microbienne est cruciale pour maintenir l'intégrité de l'échantillon.
• Contenants appropriés : L'utilisation de contenants appropriés pour minimiser l'évaporation et maintenir l'hydratation de l'échantillon est importante.

Exemple : Les échantillons de sang pour l'analyse clinique de routine sont généralement stockés à 4°C pendant de courtes périodes avant le traitement. De même, certains vaccins nécessitent une réfrigération pour maintenir leur efficacité.

Lyophilisation (séchage par congélation)

La lyophilisation consiste à éliminer l'eau d'un échantillon congelé par sublimation sous vide. Ce processus donne un produit sec et stable qui peut être stocké à température ambiante pendant des périodes prolongées. Les étapes clés de la lyophilisation comprennent :

• Congélation : L'échantillon est d'abord congelé pour solidifier l'eau.
• Séchage primaire : L'eau congelée est ensuite éliminée par sublimation sous vide.
• Séchage secondaire : L'humidité résiduelle est éliminée en augmentant la température sous vide.

Exemple : La lyophilisation est couramment utilisée pour préserver les bactéries, les virus et les protéines à des fins de recherche et de diagnostic. Par exemple, les cultures bactériennes utilisées pour le contrôle qualité dans la fabrication pharmaceutique sont souvent lyophilisées pour un stockage et une stabilité à long terme.

Conservation chimique

La conservation chimique implique l'utilisation de fixateurs chimiques, tels que le formaldéhyde ou le glutaraldéhyde, pour préserver les échantillons de tissus. Ces fixateurs réticulent les protéines et stabilisent les structures cellulaires, empêchant ainsi la dégradation. Les considérations clés pour la conservation chimique incluent :

• Sélection du fixateur : Le choix du fixateur dépend de l'application prévue. Le formaldéhyde est couramment utilisé pour l'histologie de routine, tandis que le glutaraldéhyde est souvent utilisé pour la microscopie électronique.
• Temps de fixation : La durée de la fixation est cruciale pour assurer une conservation adéquate sans causer de dommages excessifs.
• Conditions de stockage : Les tissus fixés sont généralement stockés dans du formol ou de l'alcool.

Exemple : Les biopsies de tissus pour le diagnostic du cancer sont systématiquement fixées dans du formol pour préserver la morphologie cellulaire et permettre un examen microscopique.

Applications de la biopréservation

La biopréservation joue un rôle essentiel dans un large éventail d'applications, notamment :

Biobanque

Les biobanques sont des dépôts qui collectent, traitent, stockent et distribuent des échantillons biologiques et des données associées à des fins de recherche. Elles constituent des ressources essentielles pour l'étude des maladies, le développement de nouveaux diagnostics et thérapies, et la promotion de la médecine personnalisée.

• Biobanques de population : Collectent des échantillons et des données auprès de larges populations pour étudier les facteurs génétiques et environnementaux qui contribuent aux maladies. Des exemples incluent la UK Biobank et la Biobanque estonienne.
• Biobanques spécifiques à une maladie : Se concentrent sur la collecte d'échantillons et de données de patients atteints de maladies spécifiques, telles que le cancer ou le diabète.
• Biobanques cliniques : Intégrées aux systèmes de santé, ces biobanques collectent des échantillons et des données de patients recevant des soins cliniques de routine.

Médecine régénérative

La médecine régénérative vise à réparer ou à remplacer les tissus et organes endommagés à l'aide de cellules, de biomatériaux et de facteurs de croissance. La biopréservation est cruciale pour stocker les cellules et les tissus pour ces thérapies.

• Thérapie cellulaire : Implique la transplantation de cellules chez des patients pour traiter des maladies. Par exemple, la transplantation de cellules souches pour la leucémie et la thérapie cellulaire CAR-T pour le cancer.
• Ingénierie tissulaire : Implique la création de tissus et d'organes fonctionnels en laboratoire pour la transplantation.

Découverte de médicaments

Les cellules et tissus biopréservés sont utilisés dans la découverte de médicaments pour cribler des candidats médicaments potentiels, comprendre les mécanismes d'action des médicaments et évaluer leur toxicité.

• Criblage à haut débit : Utilisation de systèmes automatisés pour cribler de grandes bibliothèques de composés contre des cibles cellulaires.
• Études de métabolisme et de pharmacocinétique des médicaments (DMPK) : Étude de la manière dont les médicaments sont métabolisés et éliminés de l'organisme.

Biologie de la conservation

La biopréservation est utilisée pour préserver le matériel génétique des espèces menacées et maintenir la biodiversité.

• Cryopréservation de sperme et d'ovules : Conservation des cellules reproductrices pour l'insémination artificielle et la fécondation in vitro.
• Cryopréservation d'embryons : Conservation d'embryons pour de futurs programmes de reproduction.
• Banque d'ADN : Stockage d'échantillons d'ADN pour l'analyse génétique et les efforts de conservation.

Contrôle qualité en biopréservation

Le maintien de la qualité et de l'intégrité du matériel biopréservé est essentiel pour garantir des résultats de recherche et cliniques fiables. Les principales mesures de contrôle qualité comprennent :

• Protocoles normalisés : Utilisation de protocoles normalisés pour la collecte, le traitement, le stockage et la récupération des échantillons.
• Surveillance de la température : Surveillance continue des températures de stockage pour garantir que les échantillons sont maintenus dans la plage requise.
• Tests de viabilité : Évaluation de la viabilité et de l'activité fonctionnelle des cellules après décongélation.
• Tests de contamination : Test régulier des échantillons pour la contamination microbienne.
• Gestion des données : Tenue de registres précis et complets de tous les échantillons et des données associées.

Exemple : Les biobanques utilisent souvent des procédures opérationnelles normalisées (PON) basées sur les meilleures pratiques d'organisations comme la Société Internationale pour les Référentiels Biologiques et Environnementaux (ISBER) pour garantir une qualité d'échantillon constante. Ces PON couvrent tous les aspects de la biobanque, de la collecte et du traitement des échantillons au stockage et à la distribution.

Considérations éthiques en biopréservation

La biopréservation soulève plusieurs considérations éthiques, notamment :

• Consentement éclairé : Obtenir le consentement éclairé des donneurs avant de collecter et de stocker leurs échantillons biologiques. Le consentement doit expliquer clairement le but de la recherche, les risques et avantages potentiels, et le droit du donneur de retirer ses échantillons.
• Vie privée et confidentialité : Protéger la vie privée et la confidentialité des informations personnelles des donneurs.
• Sécurité des données : Assurer la sécurité des données associées aux échantillons biologiques.
• Propriété et accès : Établir des lignes directrices claires pour la propriété et l'accès aux échantillons biologiques et aux données.
• Commercialisation : Aborder les implications éthiques de la commercialisation des échantillons biologiques et des données.

Exemple : De nombreux pays ont mis en œuvre des réglementations pour protéger les droits des participants aux biobanques et garantir une conduite éthique de la recherche en biobanque. Ces réglementations portent sur des questions telles que le consentement éclairé, la confidentialité des données et l'accès aux échantillons et aux données.

Tendances futures en biopréservation

Le domaine de la biopréservation est en constante évolution, avec des recherches en cours axées sur l'amélioration des techniques existantes et le développement de nouvelles méthodes. Parmi les principales tendances, on peut citer :

• Automatisation : Automatiser les processus de biopréservation pour améliorer l'efficacité et réduire la variabilité.
• Microfluidique : Utilisation de dispositifs microfluidiques pour un contrôle précis des vitesses de congélation et de décongélation.
• Nanotechnologie : Développement de nanoparticules pour délivrer des agents cryoprotecteurs et améliorer la survie cellulaire.
• Bio-impression : Combinaison de la biopréservation avec la bio-impression pour créer des tissus et des organes fonctionnels.
• IA et apprentissage automatique : Utilisation de l'IA et de l'apprentissage automatique pour optimiser les protocoles de biopréservation et prédire la qualité des échantillons.

Normes et directives internationales

Plusieurs organisations internationales fournissent des normes et des directives pour la biopréservation afin d'assurer la cohérence et la qualité entre les différentes biobanques et institutions de recherche. Celles-ci incluent :

• Société Internationale pour les Référentiels Biologiques et Environnementaux (ISBER) : Publie les meilleures pratiques pour la biobanque et la biopréservation.
• World Biobanking Network (WBAN) : Un réseau mondial de biobanques qui promeut la collaboration et la normalisation.
• National Institute of Standards and Technology (NIST) : Développe des normes et des matériaux de référence pour la biopréservation.
• Normes ISO : L'Organisation Internationale de Normalisation (ISO) a développé des normes relatives à la biobanque et à la biopréservation, telles que l'ISO 20387:2018 Biotechnologie — Biobanques — Exigences générales pour les biobanques.

Défis de la biopréservation

Malgré des avancées significatives, la biopréservation fait encore face à plusieurs défis :

• Formation de cristaux de glace : La formation de cristaux de glace pendant la congélation et la décongélation peut endommager les cellules et les tissus.
• Toxicité des agents cryoprotecteurs : Les agents cryoprotecteurs peuvent être toxiques pour les cellules à des concentrations élevées.
• Durée de conservation limitée : Certains matériaux biopréservés ont une durée de conservation limitée, même dans des conditions de stockage optimales.
• Coût : La biopréservation peut être coûteuse, en particulier pour le stockage à long terme d'un grand nombre d'échantillons.
• Normalisation : Le manque de normalisation entre les différentes biobanques et institutions de recherche peut rendre difficile la comparaison des résultats.

Conclusion

La biopréservation est un domaine essentiel aux implications de grande portée pour la recherche biomédicale, le diagnostic et la thérapeutique. En comprenant les principes, les techniques, les applications et les considérations éthiques entourant la biopréservation, les chercheurs et les cliniciens peuvent utiliser efficacement le matériel biologique pour faire progresser les connaissances scientifiques et améliorer la santé humaine. À mesure que la technologie continue de progresser, les techniques de biopréservation deviendront encore plus sophistiquées, permettant la conservation du matériel biologique pendant des périodes plus longues et avec une plus grande fidélité. Cela ouvrira la voie à de nouvelles découvertes et innovations en médecine et au-delà.

Ce guide fournit une compréhension fondamentale de la biopréservation. Pour des applications spécifiques et des protocoles détaillés, il est fortement recommandé de consulter des experts et de se référer à la littérature scientifique pertinente. La poursuite de la recherche et du développement en biopréservation est essentielle pour surmonter les défis existants et libérer tout le potentiel de ce domaine transformateur.