Modèles non cliniques pour les thérapies cellulaires et géniques

Les études non cliniques sont des études réalisées in vitro, in silico (sur ordinateur),in chemico, ou in vivo dans des modèles non humains utilisés pour évaluer l’éventuelle toxicitéetl'efficacité d'un médicament. Les études non cliniques peuvent inclure des tests simples ou complexes. Les cellules, les organes sur puce, les algorithmes informatiques ou les animaux de laboratoire sont couramment utilisés comme modèles non cliniques ou précliniques imitant différents aspects de la physiologie et des maladies humaines. Les termes « préclinique » et « non clinique » sont généralement utilisés de manière interchangeable, même si le terme « non clinique » est préféré dans les documents réglementaires tels que les demandes d'essais cliniques. 

Les modèles non cliniques ou précliniques sont essentiels pour évaluer la sécurité, l'efficacité et la biodistribution des thérapies cellulaires et géniques avant les essais cliniques chez l'Homme. Ces modèles fournissent des informations sur le dosage, la voie d'administration, les profils de toxicité, les mécanismes biologiques et les effets secondaires potentiels en fonction des propriétés du médicament et de la maladie ciblée. Les modèles précliniques sont utilisés pour les activités de découverte, les expériences de preuve de principe et les demandes d’autorisation d'essais cliniques (CTA, de l’anglais Clinical Trials Applications, correspondant aux Investigational New Drug (IND) Application des États-Unis), permettent d'effectuer des études avant d'entamer des études cliniques de preuve de concept, également appelées études de première administration à des humains, « first in human » en anglais.

La phase de développement non clinique (ou préclinique) des Médicaments de Thérapie Innovante (MTI) vise à évaluer la sécurité et l'efficacité d'un candidat thérapeutique à l'aide de modèles non cliniques qui peuvent être in silico, moléculaires, cellulaires, organoïdes ou animaux. Les données sont présentées selon le format du document technique commun (CTD, de l’anglais Common Technical Document) défini par la Conférence internationale sur l'harmonisation des exigences techniques pour l'enregistrement des médicaments à usage humain (ICH, de l’anglais International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use). Voir figure 1. Le Common Technical Document (CTD) est un format de dossier servant à la soumission des demandes d'autorisation de mise sur le marché (AMM) d'un médicament.

Figure 1 : Document Technique Commun

EUPATI - Non-clinical development: Basic principles (en anglais)

Le CTD présente l'avantage de rassembler toutes les informations relatives à la qualité, à la sécurité et à l'efficacité dans ce format commun à tous les produits thérapeutiques. Il s'agit d'un ensemble de spécifications pour un dossier de demande d'enregistrement de médicaments, conçu pour être utilisé en Europe, au Japon, aux États-Unis et dans d’autres pays. Les études de sécurité doivent être réalisées conformément aux Bonnes Pratiques de Laboratoire (BPL) afin de garantir la fiabilité, l'intégrité et la reproductibilité des études non cliniques. Les BPL ne visent pas seulement à maintenir la qualité des tests. Elles visent également à garantir le traitement éthique des animaux utilisés dans ces études.

Les études non cliniques utilisent des modèles in vitro et in vivo de la physiologie humaine et des maladies humaines. Elles visent à évaluer l'activité, le mode d'action, l'efficacité, la biodistribution et la toxicité potentielle des médicaments candidats. Voir figure 2. 

Les données issues du développement de procédés, de la fabrication et du contrôle qualité , combinées aux résultats des études non cliniques évaluant l'efficacité, la sécurité et la biodistribution, permettent de déposer des demandes d'essais cliniques et de lancer les premières études chez l'homme dans le respect des Bonnes Pratiques Cliniques (BPC).

Figure 2 : Principales étapes du développement de MTI

A Regulatory Risk-Based Approach to ATMP/CGT Development: Integrating Scientific Challenges With Current Regulatory Expectations, Laura I. Salazar-Fontana, Front. Med., Sec. Regulatory Science, 13 May 2022 (en anglais)

Les modèles animaux de maladies humaines peuvent être utilisés pour sélectionner la gamme de doses en fonction de l'efficacité et et des études detoxicologie réalisées avant leur utilisation dans des essais cliniques chez l'homme. Les thérapies à base de cellules souches (par exemple, HSC, MSC, iPSC) et les immunothérapies cellulaires (par exemple, CAR-T, NK, DC) sont généralement testées sur des souris immunodéficientes (souris nues, souris SCID, souris NOD SCID, souris NSG, souris NOG, souris BRGSF, souris NCG, etc.) ou sur des modèles de souris humanisées (par exemple, exprimant des cytokines humaines, allèles HLA humains ou TCR humanisés).

Acronymes:

• HSC: Cellule souche hématopoïétique (Hematopoietic stem cell, en anglais)
• MSC: Cellule souche mésenchymateuse (Mesenchymal stem cell, en anglais)
• iPSC: Cellule souche pluripotente induite (Induced pluripotent Stem cell, en anglais)
• CAR-T: Récepteur Antigénique Chimérique des cellules T (Chimeric Antigenic Receptor-T, en anglais)
• NK: Cellule tueuse naturelle (Natural Killer, en anglais)
• DC: Cellule dentritique (Dendritic Cell, en anglais).
• SCID: immunodéficient combiné sévère (Severe Combined Immunodeficiency, en anglais)
• NOD: Non-Obese Diabétique (Non-Obese Diabetic, en anglais)
• BRGSF: (Balb/C Rag2-/-, IL2Rγ-/-, SIRPαNOD and Flt3-/-) désigne un modèle de souris connu sous le nom de souris BRGSF, modèle hautement immunodéficient utilisé dans la recherche
• NSG: NOD Scid Gamma, en anglais

En fonction de l'effet à évaluer, des caractéristiques du produit à tester et des critères choisis pour l'évaluation, différents types de modèles peuvent être utilisés.

• Complexité des modèles

Différents types de modèles non cliniques ou précliniques peuvent être distingués en fonction de leur niveau de complexité, qui reproduisent les fonctions d'une cellule, d'un tissu, d'un organe ou du corps humain. Le nombre total de cellules dans le corps humain est à environ 36 000 milliards pour un homme, 28 000 milliards pour une femme et 17 000 milliards pour un enfant (PMID: 37722043). Voir figure 3. De plus, 38 000 milliards de bactéries vivent dans le corps humain, principalement dans l’intestin.

Figure 3 : Complexité des modèles vivants actuellement disponibles pour les études non cliniques

Organoids as host models for infection biology – a review of methods, Aguilar et al. Experimental & Molecular Medicine (2021) 53:1471–1482  (en anglais)

Les cellules individuelles sont pratiques à utiliser, mais elles ne possèdent pas de structure multicellulaire et donc ne représentent pas la complexité des interactions entre cellules. Les organoïdes comblent le fossé entre les cellules monotypiques et les organismes complexes. Le terme « organoïde » a été utilisé dans le passé pour décrire les caractéristiques histologiques des tumeurs ou d'autres tissus et signifiait généralement « ressemblant à un organe ». Les dispositifs « organes sur puce » peuvent reproduire le flux vasculaire, les interactions entre tissus et les mouvements mécaniques propres aux organes. Les modèles animaux reproduisent la complexité d'organismes tels que les mammifères sans imiter parfaitement la physiologie humaine.

• Modèles in vitro : cellules humaines en culture liquide, sur cellules nourricières (2D), en organoïdes (3D) ou sur puces 

Les cellules primaires et les lignées cellulaires sont utilisées en culture liquide pour réaliser des études précliniques telles que des tests de biochimie, de biologie cellulaire et d'immunologie. Les cultures sur cellules nourricières bénéficient de facteurs de croissance et d'interactions avec la couche de cellules nourricières qui soutiennent la croissance et la différenciation des cellules d'intérêt pour les études précliniques.

Les organoïdes sont des modèles miniatures en 3D imitant les organes ou les tissus, permettant aux scientifiques d'étudier les causes des maladies et de tester de nouveaux traitements. Par exemple, les organoïdes cérébraux pour évaluer les thérapies cellulaires (Brain Organoids to Evaluate Cellular Therapies, García-Delgado AB, Campos-Cuerva R, Rosell-Valle C, Martin-López M, Casado C, Ferrari D, Márquez-Rivas J, Sánchez-Pernaute R, Fernández-Muñoz B. Animals (Basel). 2022 Nov 15;12(22):3150, en anglais) ou les modèles organoïdes pour évaluer l'immunothérapie du cancer (Breakthroughs and challenges of organoid models for assessing cancer immunotherapy: a cutting-edge tool for advancing personalised treatments, Wang, Q., Yuan, F., Zuo, X. et al. Cell Death Discov. 11, 222 (2025), en anglais). Voir figure 4.

Figure 4 : Two-dimensional (2D) cell culture, three-dimensional (3D) brain organoid models. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 12528. Application of Human Brain Organoids—Opportunities and Challenges in Modeling Human Brain Development and Neurodevelopmental Diseases (en anglais).

La comparaison des caractéristiques entre la culture cellulaire bidimensionnelle (2D), les modèles organoïdes cérébraux tridimensionnels (3D) et les modèles animaux permet de choisir celui qui est le mieux adapté à une étude donnée. Il doit être suffisamment simple pour être bien décrit par les paramètres du système expérimental et pertinent en vue des futures applications au corps humain. Les organoïdes cérébraux deviennent des alternatives aux modèles animaux ou aux systèmes de culture 2D classiques dans les expériences, et leur importance prend de l’ampleur en tant que modèles précieux pour l'étude des troubles du développement cérébral.

Les cellules sur puce visent à miniaturiser et compléter l’arsenal des tests  de laboratoire en permettant de contrôler les conditions de culture et de mesurer des biomarqueurs (par exemple, pancréas sur puce) avec plus de précisions.

Organoids as preclinical models of human disease: progress and applications, Chen B, Du C, Wang M, Guo J, Liu X. Organoids as preclinical models of human disease: progress and applications. Med Rev (2021). 2024 Mar 14;4(2):129-153 (en anglais).

Pancreatic islet organoids-on-a-chip: how far have we gone?, Yin J, Meng H, Lin J, Ji W, Xu T, Liu H. Pancreatic islet organoids-on-a-chip: how far have we gone? J Nanobiotechnology. 2022 Jun 28;20(1):308 (en anglais).

• Modèles ex vivo tels que les organes perfusés ou les organes sur puce

Les organes perfusés ex vivo constituent une excellente plate-forme expérimentale pour étudier la physiologie des organes et tester de nouveaux traitements.

Ex-Vivo Human-Sized Organ Machine Perfusion: A Systematic Review on the Added Value of Medical Imaging for Organ Condition Assessment, Van Der Hoek JL, Krommendijk ME, Manohar S, Arens J and Groot Jebbink E (2024) (en anglais).

Les organes sur puce sont des systèmes contenant des tissus miniatures naturels ou fabriqués par ingénierie et cultivés à l'intérieur de puces microfluidiques. Pour mieux imiter la physiologie humaine, les puces sont conçues pour contrôler les microenvironnements cellulaires et maintenir les fonctions spécifiques aux tissus.

A guide to the organ-on-a-chip, Leung, C.M., de Haan, P., Ronaldson-Bouchard, K. et al. Nat Rev Methods Primers 2, 33 (2022) (en anglais).

• Modèles in vivo tels que des modèles animaux imitant les conditions pathologiques humaines

Les modèles animaux imitant des maladies humaines sont très utiles à l’étape préclinique avant de se lancer dans un essai clinique. En thérapie génique par exemple, ils sont utiles dans l’évaluation des variables liées à l’utilisation de vecteurs viraux telles que la sécurité, l’efficacité, le dosage et la localisation de l’expression de transgènes.

Contemporary Animal Models For Human Gene Therapy Applications, Gopinath C, Nathar TJ, Ghosh A, Hickstein DD, Nelson EJR. Curr Gene Ther. 2015;15(6):531-40. (en anglais)

Les petits animaux tels que les souris sont souvent utilisés pour développer des thérapies innovantes liées à l'hématologie ou à l'immunologie, par exemple pour développer des immunothérapies cellulaires telles que les cellules CAR-T. Les souris transgéniques sont générées pour créer des modèles de maladies humaines. Des modèles de souris immunodéficientes et humanisées sont générés pour tester des cellules humaines dans des études xénogéniques. Les thérapies cellulaires basées sur les cellules souches hématopoïétiques humaines (traitements pour le déficit combiné en adénosine désaminase (ADA-SCID), la thalassémie transfusionnelle (TDT), la leucodystrophie métachromatique (MLD), la drépanocytose (SCD) …) ou les cellules immunitaires (traitements pour le myélome multiple (MM), leucémie lymphoblastique aiguë à cellules B (B-ALL), la leucémie myéloïde aiguë (AML) ...), sont souvent testées sur des souris immunodéficientes (souris nues, souris SCID, souris NOD SCID, souris NSG, souris NOG, souris BRGSF, souris NCG, etc.) ou sur des modèles de souris humanisées (généralement créés pour mieux reproduire le développement de l'immunité innée et adaptative humaine) avant d'être évaluées dans le cadre d'essais cliniques. Des animaux plus grands, tels que des chiens ou des primates non humains, sont utilisés pour des études précliniques sur les muscles et le système nerveux central, par exemple pour tester des vecteurs du virus adéno-associé (AAV) afin de traiter des myopathies ou des maladies neurodégénératives.

• Modèles in silico 

Les modèles in silico sont développés par des programmeurs informatiques et des scientifiques spécialisés dans les données, et construits à partir d'ensembles de données réelles telles que des données cliniques, génomiques, protéomiques, transcriptomiques, etc. Des algorithmes d'intelligence artificielle sont souvent utilisés pour naviguer dans les grands ensembles de données et interagir avec les utilisateurs finaux, tels que les scientifiques de laboratoire et les cliniciens.

In silico regenerative medicine: how computational tools allow regulatory and financial challenges to be addressed in a volatile market, Geris L, Guyot Y, Schrooten J, Papantoniou I. Interface Focus. 2016 Apr 6;6(2):20150105. (en anglais)

Les modèles in silico les plus avancés visent à devenir des jumeaux numériques des patients et à être utilisés pour accélérer la sélection des candidats-médicaments et le développement des médicaments. Voir figure 5.

Figure 5 : Le concept de jumeaux numériques

Figures adaptées de : Targeting MAPK Signaling in Cancer: Mechanisms of Drug Resistance and Sensitivity, Lee S, Rauch J, Kolch W. Targeting MAPK Signaling in Cancer: Mechanisms of Drug Resistance and Sensitivity. International Journal of Molecular Sciences. 2020; 21(3):1102. (en anglais)

L'intégration des données moléculaires, cliniques et d'imagerie au moyen de modèles informatiques permettra de générer des jumeaux numériques des patients. De nouveaux traitements pourraient être testés pour la première fois sur le jumeau numérique et la meilleure option sélectionnée pour les essais cliniques (Targeting MAPK Signaling in Cancer: Mechanisms of Drug Resistance and Sensitivity, en anglais). La création d'un jumeau numérique d'un patient représente un véritable défi. Si 100 millions de pièces doivent être prises en compte pour la construction d’une navette spatiale, 1000 000 millions de cellules doivent l'être pour un corps humain.

Dans l'Union européenne, l'Agence européenne des médicaments (EMA, de l’anglais European Medicines Agency) a publié le document ICH S6 (R1) sur l'évaluation préclinique de la sécurité des produits pharmaceutiques issus de la biotechnologie.

Le document divisé en deux parties décrit les activités non cliniques. Dans la première partie, après une introduction et une section sur la spécification du matériel d'essai, les lignes directrices traitent des essais de sécurité précliniques, y compris l'activité biologique/pharmacodynamique, la sélection des espèces animales/modèles, le nombre/le sexe des animaux, la sélection de la voie d’administration/de la dose, l'immunogénicité. Ensuite, la section sur les considérations spécifiques aborde la pharmacologie de sécurité, l’évaluation de l’exposition, les essais pharmacocinétiques et toxicocinétiques, le métabolisme, les études de toxicité à dose unique, les études de toxicité à doses répétées, les études d’immunogénicité, la performance reproductive et les études de toxicité pour le développement, les études de génotoxicité, les études de cancérogénicité et les études de tolérance locale.

Dans la deuxième partie, les lignes directrices donnent un aperçu des éléments clés à prendre en considération : la sélection des espèces, la conception de l'étude pour la sélection de la dose, l'immunogénicité, la toxicité pour la reproduction et le développement et la cancérogénicité.

S6(R1) Step 5 Preclinical safety evaluation of biotechnology-derived pharmaceuticals (en anglais)

En outre, l'EMA propose également des conseils et des avis scientifiques pour aider à la qualification de méthodologies innovantes pour le développement de médicaments. Ceci est particulièrement pertinent dans le contexte de la recherche et du développement, tant pour les études non cliniques que cliniques.

Plus d'informations sur le site de l'EMA ici :

Qualification of novel methodologies for medicine development

Enfin, il convient de souligner qu'au-delà des lignes directrices réglementaires, deux ensembles de législations de l'Union européenne peuvent être applicables.

• D'une part, la législation sur les organismes génétiquement modifiés et/ou sur les micro-organismes génétiquement modifiés peut s'appliquer au stade non clinique du développement des thérapies géniques et cellulaires en fonction des mises en œuvre nationales des directives de l'UE sur ce sujet. Plus d’information ici.
• D'autre part, la législation sur les Bonnes Pratiques de Laboratoire ainsi que les orientations de la Commission européenne et de l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) s'appliquent au stade non clinique du développement des thérapies géniques et cellulaires.
  Plus d'informations sur le site de l'EMA ici (en anglais), sur le site de la Commission européenne ici, et sur le site de l'OCDE ici (en anglais).

Aux États-Unis, la Food & Drug Administration (FDA) a publié des lignes directrices sur les activités non cliniques qui sont divisées en deux étapes : 1) la découverte, le développement et 2) la recherche préclinique.

Découverte : de nouvelles connaissances sur les mécanismes de la maladie permettent aux chercheurs de concevoir un produit capable de stopper ou d'inverser les effets de la maladie. De nombreux tests sont effectués pour trouver d'éventuels effets bénéfiques, y compris sur des modèles animaux. Des analyses cellulaires et moléculaires sont généralement effectuées.

Etape 1 : Découverte et développement | FDA (en anglais)

Développement : une fois les modalités thérapeutiques potentielles identifiées, des expériences sont menées pour recueillir des informations sur les avantages potentiels, les mécanismes d'action, la posologie, la voie d'administration sur des modèles animaux, les effets secondaires et les effets indésirables.

De la recherche préclinique aux essais cliniques : pour évaluer la toxicité, la FDA requiert des chercheurs qu'ils appliquent les bonnes pratiques de laboratoire (BPL). Les études toxicologiques sont généralement réalisées sur des modèles animaux et les règles de BPL déterminent les exigences minimales de base pour la conduite de l'étude, le personnel, les installations, l'équipement, les protocoles écrits, les procédures opérationnelles, les rapports d'étude et un système d'assurance qualité. Ces études doivent fournir des informations sur les doses et les niveaux de toxicité. Les données issues des études précliniques réalisées in vitro et in vivo sont regroupées et organisées dans la demande d'autorisation de mise sur le marché d'un nouveau médicament, qui doit être approuvée pour lancer un essai clinique.

En avril 2025, la FDA a annoncé un plan visant à réduire les essais sur les animaux dans les études de sécurité précliniques. Cette feuille de route présente une approche stratégique et progressive de la FDA visant à réduire l'expérimentation animale dans les études de sécurité préclinique grâce à de nouvelles approches méthodologiques (NAM, de l’anglais New Approach Methodologies) scientifiquement validées, telles que les systèmes d'organes sur puce, la modélisation informatique et les essais in vitro avancés.

FDA - Roadmap to reducing animal testing in preclinical safety studies (en anglais)

Les lignes directrices scientifiques de l'EMA sur le développement non clinique aident les développeurs de médicaments à préparer les demandes d'autorisation de mise sur le marché pour les médicaments à usage humain.

Non-clinical development guidelines (en anglais)

Parmi ces lignes directrices, « l'acceptation réglementaire des 3R (remplacement, réduction, raffinement) » vise à encourager les parties prenantes et les autorités à initier, soutenir et accepter le développement et l'utilisation d'approches de test 3R dans le but de remplacer, réduire et raffiner les études in vivo sur les animaux pour les médicaments à usage humain et vétérinaire.

Regulatory acceptance of 3R (replacement, reduction, refinement) testing approaches - Scientific guideline (en anglais)

Publication : 28/10/2025

Auteurs :

Olivier Nègre, Membre du comité général du groupe de management d'EuroGCT, Membre du conseil d'administration de la Société Française de Thérapie Cellulaire et Génique, Paris, France ; Coprésident de Gene & Cell Therapy Institute - Expert en thérapie cellulaire et génique, Biotherapy Partners, Paris, France.

Minodora Brimpari, Membre du Groupe 1 EuroGCT ELSI, Chef de projet en thérapie cellulaire au Helmholtz Zentrum München

Relecture :

Aurélie Mahalatchimy, Responsable EuroGCT du Work Package 4, UMR 7318 DICE CERIC, Aix-Marseille Université, CNRS, Aix-en-Provence, France

Traduction de l'anglais au français en décembre 2025 :

Luc-Sylvain Gilbert, Chargé d'information EuroGCT en matière éthique, juridique et sociétale

Olivier Nègre