Black rat used in an experiment

L’expérimentation animale pour les nouveaux matériaux

Les nouveaux matériaux destinés à être en contact avec les êtres humains, ou pouvant potentiellement l’être, sont testés pour établir leur biocompatibilité. Les tests de biocompatibilité évaluent la façon dont un matériau interagit avec les systèmes biologiques pour veiller à ce que son usage ne soit pas néfaste aux humains. Cette pratique a pour but de pallier les inquiétudes de l’industrie, de la recherche biomédicale et de la recherche sur les biomatériaux à fins médicales. Les nouveaux biomatériaux, utilisés par exemple dans les chirurgies cardiaques (pontages ou poses de pacemakers), dans des poses de plaques lors de traumatismes ou au cours de procédures dentaires, sont régulièrement testés. Les matériaux à usage non médical, comme les plastiques utilisés pour fabriquer des bouteilles, sacs et autres objets de la vie courante, sont également testés. Il en est de même pour tous les matériaux utilisés en industrie dont les effets sur les humains sont en partie ou pas du tout connus.

Historiquement, les nouveaux matériaux étaient toujours testés sur les humains pour évaluer leur biocompatibilité. Cette pratique étant désormais considérée comme inacceptable, un matériau doit passer par plusieurs étapes avant d’être considéré comme biocompatible. Les étapes habituelles impliquent des tests in vitro, in vivo (qui s’effectuent désormais sur des animaux plutôt que sur des humains), ainsi que des tests d’utilisation et tests cliniques. Tous ces niveaux de tests font appel à différents types de procédures et recouvrent une multitude de questions éthiques.

 

Types de tests

Tests in vitro

Les tests in vitro ne sont pas effectués sur des êtres vivants, mais sur des cellules, tissus ou organes. Ces tests se font dans des éprouvettes ou boites de Pétri. Cependant, afin d’obtenir les parties du corps nécessaires pour tester les tissus, les organes et d’autres éléments, des animaux sont tués ou mutilés.

Tests in vivo

Le terme « in vivo », en latin « au sein du vivant », permet de comprendre clairement que ces tests consistent en l’expérimentation sur les animaux vivants, qui subissent des contacts agressifs avec les matériaux testés. Les matériaux sont souvent implantés dans les animaux non humains via des injections sous-cutanées (sous la peau), intramusculaires (dans les muscles), intravasculaires (dans les vaisseaux sanguins) ou osseuses. Les tests in vivo sont souvent effectués de façon répétée même après qu’un matériau est commercialisé, afin de vérifier d’éventuels problèmes non détectés lors de précédentes études, ou de tester de nouvelles utilisations ou modifications du matériau.

Tests d’utilisation et tests cliniques

Les tests d’utilisation diffèrent des tests in vivo, en ce qu’ils sont menés dans les conditions analogues aux conditions réelles d’utilisation du matériau. Ainsi, les tests d’utilisation impliquent des animaux non humains ayant des similarités physiologiques avec les êtres humains, comme les chiens ou les singes, au lieu de rongeurs. Lorsque les tests d’utilisation sont réalisés sur des humains, on parle de tests cliniques. En théorie, ces deux procédures devraient être les mêmes. Pourtant, dans la pratique, elles sont très différentes : les humains sont traités avec respect et dans un cadre le plus sûr possible. Ce n’est pas le cas pour les animaux non humains qui sont utilisés par toutes les manières jugées nécessaires, sans réelle considération pour la douleur qu’ils ressentent. En outre, ils sont tués systématiquement, alors que la mort des animaux n’apporte souvent rien aux tests.

 

Quelques procédures utilisées lors de tests de matériaux

Les procédures spécifiques mises en œuvre lors des tests de matériaux sur les animaux provoquent chez eux une douleur et une souffrance considérables, et souvent la mort. Quelques exemples de tests standards utilisés sont donnés ci-dessous :

Tests d’irritation sur la membrane muqueuse

Ces tests déterminent si un matériau peut provoquer une inflammation des membranes muqueuses. Au début des tests, la substance potentiellement irritante est appliquée ou implantée dans la membrane muqueuse. Quelques semaines plus tard, les animaux sont photographiés et tués dans le but d’effectuer des tests histopathologiques (microscopiques) sur leurs tissus, et de déterminer la réaction inflammatoire générée par le matériau.

Tests de sensibilité cutanée (sur la peau)

Les tests de sensibilité cutanée visent à déterminer si un matériau peut provoquer une inflammation après injection dans la peau. L’estimation du niveau d’allergénicité d’un matériau s’appuie sur la proportion des animaux qui ont eu une réaction au matériau, ainsi que le degré de cette réaction.

Tests sur la barrière dentinaire

Ces tests sont semblables aux tests cutanés, à la différence que la biocompatibilité est évaluée sur la pulpe dentaire, et non sur la peau.

Perméabilité de la membrane cellulaire

Un autre moyen de mesurer la cytotoxicité (le niveau de toxicité sur les cellules) d’un matériau est d’évaluer les changements dans la perméabilité de la membrane cellulaire qu’il engendre. Des colorants sont utilisés pour marquer la cellule lors des mesures et faciliter son identification.

Utilisation de matériaux barrières

Lors de ces tests in vitro (dans une éprouvette), une barrière supplémentaire est ajoutée entre la substance et les cellules testées. Par exemple, des polymères végétaux comme l’agar-agar (une gélatine dérivée d’algue rouge) sont souvent utilisés comme barrière, qui bloque ainsi le contact entre le matériau testé et les cellules. Ceci permet de reproduire de manière très fidèle ce qui se passe chez les organismes vivants et de rendre les études plus proches des réalités cliniques.

Tests de croissance cellulaire

Ces tests visent à déterminer le nombre de cellules qui se multiplient suite à l’implantation d’un matériau, placé en contact direct avec la culture cellulaire. Si le matériau est cytotoxique (toxique vis-à-vis des cellules), les cellules ne se multiplieront pas à l’endroit où le contact a eu lieu ou même à proximité. Les mesures de densité cellulaire peuvent être analysées de manière qualitative, semi-qualitative ou quantitative, afin d’évaluer le niveau de biocompatibilité. Ces tests sont utilisés afin de mesurer les propriétés antimicrobiennes de certains matériaux vis-à-vis de microorganismes pathogènes (organismes capables de causer des maladies). La quantité de cellules tuées par la substance testée permet de mesurer la cytotoxicité du matériau.

Biosynthèse enzymatique

Lors de ces tests, les modifications de l’ADN sont mesurées afin d’analyser l’impact d’un matériau sur la synthèse des protéines. Des cellules appelées précurseurs et marquées par des radioisotopes (substances chimiques radioactives) sont ajoutées à une culture cellulaire. Des observations sont ensuite relevées pour déterminer les précurseurs qui se sont intégrés à l’ADN ou à la protéine et pour les compter.

Test d’Ames

Ce type de test in vitro a pour but d’évaluer le potentiel d’un matériau ou d’un composé chimique à induire ou augmenter les mutations sur les cellules (potentiel mutagène). Le cancer étant lié aux dommages à l’ADN, cette méthode sert également à estimer le potentiel cancérogène d’un composé.

Le test d’Ames mesure la capacité d’un matériau potentiellement mutagène à provoquer des mutations dans une souche modifiée de bactéries Salmonella tymphimurium. Ces bactéries sont normalement capables de synthétiser l’acide aminé appelé histidine. Ce test utilise des bactéries ayant subi une mutation isolée dans les gènes qui synthétisent l’histidine, ce qui les empêche de la synthétiser1

Habituellement, un extrait de foie de rat est ajouté à la bactérie dépendante à l’histidine au début du test, afin de créer des conditions proches des conditions métaboliques chez les mammifères, même s’il est désormais possible d’utiliser de l’extrait de foie humain.

Comme l’histidine constitue un acide aminé essentiel pour les bactéries et que la souche testée est incapable de la synthétiser, les bactéries doivent donc muter de manière à synthétiser l’histidine pour survivre. Le test d’Ames évalue la capacité d’un matériau à provoquer une telle mutation.

Lors de ce test, les bactéries sont étalées sur une plaque d’agar avec une petite quantité d’histidine, ce qui permet aux bactéries de survivre et de se propager dans un premier temps, jusqu’à ce que l’histidine soit épuisée. Elles restent ensuite en contact avec le matériau potentiellement mutagène, qui est testé pendant 48 heures. Les bactéries qui survivent et se propagent pendant cette période sont celles qui ont muté afin de pouvoir synthétiser l’histidine. Le nombre de colonies à l’issue du test est comparé au nombre de colonies obtenu lors d’un test contrôle, dans lequel aucun matériau potentiellement mutagène n’a été ajouté. On considère que l’efficacité du matériau potentiellement mutagène à provoquer la mutation est proportionnelle au nombre de colonies obtenu à la fin du test. Un grand nombre de colonies bactériennes démontre un potentiel mutagène élevé.

Test de Styles

Ce test, similaire au test d’Ames, utilise des cellules de mammifères au lieu de cellules bactériennes.

 

Modèles des tests

Dans le passé, le processus standard utilisé pour les tests de biocompatibilité des matériaux correspondait à une structure pyramidale précise. Le premier niveau est celui des tests in vitro, qui ne sont pas forcément représentatifs de l’utilisation finale du matériau.2 Viennent ensuite les tests in vivo sur les animaux, puis les tests cliniques. Seuls les matériaux qui ont passé le premier niveau avec succès sont évalués dans le deuxième niveau. Le modèle est dit pyramidal, car tous les matériaux subissent les tests de premier, et certains sont exclus avant le deuxième niveau, qui inclut donc moins de matériaux et substances.

Selon ce modèle, les tests initiaux ne peuvent pas toujours prédire le comportement d’un matériau lors de son utilisation final, ce qui nécessite des tests cliniques et d’utilisation, effectués lors du dernier niveau d’évaluation.

Le modèle pyramidal est actuellement toujours appliqué, mais avec plus de souplesse. En effet, les tests de premier et deuxième niveaux (tests in vitro et in vivo sur les animaux) sont jugés moins importants qu’autrefois. En outre, les recherches menées à chaque niveau sont mises en corrélation plus étroite avec celles effectuées aux autres niveaux. Le processus est donc pris de manière holistique, au lieu d’établir une séparation nette entre les différents niveaux. Les différents types de tests font partie d’un processus continu, développé en parallèle de l’expérience clinique obtenue.

Par ailleurs, les efforts réalisés dans le but de réduire le nombre de tests pratiqués sur les animaux non humains ont entrainé une augmentation des tests in vitro. Le modèle strict en pyramide qui dépendait fortement des tests in vivo a été modifié suite aux nouvelles évolutions des tests in vitro. Ces derniers permettent de mieux simuler les conditions observées chez les organismes vivants, bien qu’ils utilisent généralement des produits animaux comme des tissus ou extraits d’organes.3 L’utilisation des matériaux barrières adaptés à des tests spécifiques, des cultures cellulaires ou des tissus a également été améliorée. Les avancées effectuées dans l’identification de marqueurs biologiques cliniquement pertinents, tels que les modifications dans les transcriptions de l’ADN4 ou la présence de certaines substances chimiques pour mesurer les effets biologiques d’un matériau donné, ont également amélioré les normes des tests.5

De nos jours, les trois types de tests de biocompatibilité sont souvent réalisés simultanément. Par exemple, un test in vitro peut être utilisé pour évaluer une réaction biologique spécifique observée lors de tests cliniques ou après la commercialisation du matériau.


Pour en savoir plus

Animal Procedures Committee (2003) Review of cost-benefit assessment in the use of animals in research, London: Home Office.

Atchley, F. W. (1991) “Genes trees and the origins of inbred strain of mice”, Science, 254, pp. 554-558.

Commission européenne (2011) Deuxième rapport de la Commission au Conseil et au Parlament Européen sur les statistiques concernat le nombre d’animaux utilisés à des fins expérimentales et à d’autres fins scientifiques dans les États membres de l’Union Européenne, [Bruxelles: Commission européenne, 25 avril 2016].

Cothran, H. (ed.) (2002) Animal experimentation: Opposing viewpoints, San Diego: Greenhaven.

DeGrazia, D. (1999) “The ethics of animal research: What are the prospects for agreement?”, Cambridge Quarterly of Healthcare Ethics, 8, pp. 23-34.

Festing M. (1979) Inbred strains in biochemical research, London: Macmillan.

Frame, J. W. (1980) “A convenient animal model for testing bone substitute materials”, Journal of Oral surgery, 38, pp. 176-180.

Hench, L. L. & Thompson, I. (2010) “Twenty-first century challenges for biomaterials”, Journal of the Royal Society Interface, 7, suppl. 4, pp. S379-S391.

Krug, H. F. & Wick, P. (2011) “Nanotoxicology: An interdisciplinary challenge”, Angewandte Chemie International Edition, 50, pp. 1260-1278.

LaFollette, H. & Shanks, N. (1997 [1996]) Brute science: Dilemmas of animal experimentation, new ed., New York: Routledge.

Langer, R. & Tirrell, D. A. (2004) “Designing materials for biology and medicine”, Nature, 428, pp. 487-492.

MacGregor, J. T. (2003) “The future of regulatory toxicology: Impact of the biotechnology revolution”, Toxicology Science, 75, pp. 236-248.

Muschler, G. F.; Raut, V. P.; Patterson, T. E.; Wenke, J. C. & Hollinger, J. O. (2010) “The design and use of animal models for translational research in bone tissue engineering and regenerative medicine”, Tissue Engineering. Part B, Reviews, 16, pp. 123-145.

Nel, A.; Xia, T.; Mädler, L. & Li, N. (2006) “Toxic potential of materials at the nanolevel”, Science, 311, pp. 622-627.

Shanks, N.; Greek, R. & Greek, J. (2009) “Are animal models predictive for humans?”, Philosophy, Ethics, and Humanities in Medicine, 4 (2), pp. 1-20 [17 avril 2013].

Tannenbaum, J. & Rowan, A. N. (1985) “Rethinking the morality of animal research”, Hastings Center Report, 15 (5), pp. 32-43 [17 avril 2013].


1 Les articles originaux contenant une description de ces méthodes ont été publiés il y a une quarantaine d’années : Ames, B. N.; McCann, J. & Yamasaki, E. (1975) “Methods for detecting carcinogens and mutagens with the salmonella/mammalian-microsome mutagenicity yest”, Mutation Research, 31, pp. 347-364. Maron, D. M. & Ames, B. N. (1983) “Revised methods for the salmonella mutagenicity test”, Mutation Research, 113, 173-215.

2 Un grand nombre de différents tests in vitro peuvent être effectués. Ces tests sont aussi connus sous le nom de « tests d’éprouvette”, puisqu’ils sont effectués dans ces tubes, boites de Pétri ou matériel similaire. Pour donner un exemple de biocompatibilité des matériaux utilisés pour les pansements, les cellules sont placées dans de l’agarose (matériau extrait des algues) et cassées par d’autres produits chimiques afin de libérer l’ADN qu’elles contiennent, ensuite examiné pour évaluer la genotoxicité. Keong, L. C. & Halim, A. S. (2009) “In vitro models in biocompatibility assessment for biomedical-grade chitosan derivatives in wound management”, International Journal of Molecular Science, 10, pp. 1300-1313 [22 avril 2013].

3 Jessen, B. A.; Mullins, J. S.; de Peyster, A. & Stevens, G. J. (2003) “Assessment of hepatocytes and liver slices as in vitro test systems to predict in vivo gene expression”, Toxilogical Sciences, 75, pp. 208-222 [22 avril 2013].

4 Johansson, H.; Lindstedt, M.; Albrekt, A.-S. & Borrebaeck, C. A. K. (2011) “A genomic biomarker signature can predict skin sensitizers using a cell-based in vitro alternativeto animal tests”, BMC Genomics, 12, p. 399 [26 novembre 2012].

5 Orfeas L.; Tighiouart, H.; Perianayagam, M.; Kolyada, A.; Han, W. K.; Wald, R.; Bonventre, J. V. & Jaber, B.L. (2009) “Comparative analysis of urinary biomarkers for early detection of acute kidney injury following cardiopulmonary bypass”, Biomarkers, 14, pp. 423-431 [26 septembre 2012].

Dans d’autres langues