La culture cellulaire désigne l'ensemble des techniques de laboratoire permettant la croissance de cellules dans un environnement artificiel, dans des conditions physiologiques contrôlées. La recherche in vitro a été associée pendant des décennies aux monocouches 2D et aux flacons de culture cellulaire. Bien que cela ait permis des avancées significatives dans de nombreux domaines, de la compréhension des mécanismes cellulaires au développement de médicaments, elle présente d'importantes limitations. La première étant que notre corps n'est pas organisé en 2D. En réponse à ces limitations, les scientifiques ont développé des approches innovantes pour cultiver les cellules en trois dimensions. La dernière décennie a apporté son lot d'innovations en biotechnologies pour passer de la culture cellulaire 2D à la 3D, telles que les microplaques de sphéroïdes ou la bio-impression.
Nous aborderons ici ce qu'est la culture cellulaire 3D et comment ses avantages et ses limites peuvent influencer de nombreux domaines de recherche.
Table des matières
Culture cellulaire 3D - Définition et application
La culture cellulaire 3D a été définie comme “une culture cellulaire capable d'imiter l'organisation et la microarchitecture d'un organe vivant” (4. Huh et al., 2011). En d'autres termes, c'est la capacité de maintenir des cellules dans des espaces artificiels où elles peuvent croître et interagir avec leur environnement dans les trois dimensions. Cela permet de mieux imiter l'environnement réel, c'est-à-dire le corps humain, des organes étudiés. De plus, cet environnement artificiel peut être ajusté en termes de forme, de matériau ou même de composition chimique pour imiter cet environnement in vivo de la manière la plus physiologique possible.
« Culture cellulaire 3D » est un terme général utilisé pour décrire plusieurs techniques et méthodes :
L'utilisation d'échafaudages, qu'ils soient synthétiques (faits de céramiques ou de polymères par exemple) ou naturels comme les composants extracellulaires et les hydrogels pour recréer l'environnement d'un organe à la fois mécaniquement et biologiquement;
Les bioréacteurs, permettant la culture à grande échelle de nombreux types de cellules, dans un environnement hautement contrôlé et une régulation précise des paramètres de culture ;
Les organes sur puce, présentant plusieurs chambres/canaux connectés pour la co-culture de différents types de cellules, ont ouvert la voie à l'étude des interactions inter-organes, des fonctions sécrétoires et de la culture cellulaire dynamique ;
Les organoïdes, qui répliquent l'architecture 3D des différents types de cellules composant un organe, et permettant une meilleure compréhension du développement et de la régénération des organes ainsi que l'étude des tumeurs.
La bio-impression, utilisant des bio-encres pour recréer des structures 3D, des échafaudages aux organes.
Historiquement, le besoin de modèles 3D in vitro a augmenté avec les limitations de l'utilisation des animaux dans la recherche et le nombre de directives nationales ou internationales visant à développer des méthodes non basées sur l'animal pour la recherche pharmaceutique mais aussi cosmétique. Ces limitations provenaient d'arguments éthiques (souffrance causée aux animaux) et biologiques (manque de transposition des animaux aux humains).
La culture cellulaire 3D peut être utilisée dans toutes les applications où la culture cellulaire 2D est employée, et même davantage, car elle offre un degré de complexité supplémentaire pour acquérir une compréhension plus approfondie du comportement et des mécanismes cellulaires. Les applications incluent : la découverte de médicaments et le métabolisme des médicaments, le développement tissulaire, la recherche sur le cancer et bien d'autres.
Pourquoi la culture cellulaire 3D est-elle supérieure à la culture cellulaire 2D ?
Le désir et la nécessité de mettre en œuvre des techniques de culture cellulaire 3D dans de nombreux projets de recherche n'ont cessé de croître ces dernières années en raison des nombreux avantages associés à cette innovation. La possibilité de se développer dans les trois dimensions et d'interagir avec un environnement physiologique a en effet des implications positives majeures pour les cellules par rapport à une croissance en 2D, sur une surface plastique rigide.
Dans les cultures cellulaires 3D :
- La morphologie cellulaire est plus naturelle et ressemble davantage à celle de l'environnement in vivo ;
- L'étalement cellulaire est stériquement contraint et la prolifération cellulaire est ralentie par rapport à la 2D où le taux de prolifération est beaucoup plus élevé que ce qui est observé in vivo
- La polarité cellulaire naturelle est établie, assurant un comportement plus physiologique des cellules.
- Des interactions cellule-cellule et cellule-matrice plus réalistes sont favorisées, reproduisant des échanges plus physiologiques de signaux mécaniques, biologiques et chimiques.
- L'accès aux nutriments, y compris l'oxygène, est également modifié et plus réaliste dans les cultures 3D, car les cellules sont exposées à des gradients spatiotemporels et toutes les cellules ne sont pas exposées à la même quantité de chaque nutriment en même temps, comme c'est le cas en 2D.
En résumé, les cellules cultivées en 3D présentent beaucoup plus de similitudes avec les cellules in vivo en termes de structure et donc de fonctions. Il a été démontré que tous les paramètres énumérés ci-dessus sont d'importants régulateurs des profils d'expression génique. Ainsi, avec un environnement plus physiologique, les cellules devraient également se comporter de manière plus physiologique qu'en culture cellulaire 2D. On s'attend à ce que l'effet observé des médicaments et des molécules sur ces modèles soit plus proche de ce qui se passe dans le corps, améliorant la prédictibilité de l'efficacité et de la toxicité des médicaments nouvellement développés et améliorant le succès de la traduction des études précliniques aux études cliniques.
Quels sont les problèmes liés à la culture cellulaire 3D ?
Malgré les nombreux avantages de la culture cellulaire 3D discutés ci-dessus, elle présente également certaines limitations, qui peuvent être surmontées mais qu'il est important de garder à l'esprit lors de la transition de la culture cellulaire 2D à la 3D.
- En raison de la complexité accrue inhérente à la structure 3D, la mise en place de ces modèles requiert généralement plus d'expertise et de formation, ainsi qu'une technicité accrue. Il peut être initialement difficile et chronophage de trouver tous les éléments et conditions expérimentales appropriés et de passer à de nouveaux protocoles et techniques.
- Actuellement, ce domaine étant entièrement nouveau, il existe un manque global de standardisation et de protocoles communs. Il peut être difficile de trouver des lignes directrices pour les débutants et de reproduire et comparer facilement les résultats. Cependant, cette question de la standardisation est au centre de nombreuses discussions avec les acteurs clés du domaine.
- Globalement, les modèles 3D sont plus coûteux à mettre en place et à maintenir. Ces modèles peuvent nécessiter la commutation vers de nouveaux consommables de laboratoire, tels que des hydrogels, des scaffolds et du matériel plastique, voire des équipements, notamment en matière d'imagerie.
- L'imagerie peut en effet être délicate, car il est plus difficile de visualiser les cellules à l'intérieur d'une structure 3D que sur une monocouche. L'ajout d'une dimension à l'acquisition d'images peut ainsi nécessiter une expertise, une formation et un investissement potentiel dans des équipements appropriés.
- Comparé aux flacons de culture classiques utilisés en culture 2D contenant des millions de cellules, la mise à l'échelle des modèles 3D nouvellement développés pour des études à grande échelle peut être un défi en raison de la complexité des modèles et des plateformes actuelles disponibles.
En fin de compte, la culture cellulaire 3D semble être l'étape logique suivante pour tous les chercheurs qui tentent de décrypter les mécanismes du développement des organes, des processus biologiques, de la physiopathologie des maladies ou de l'efficacité et de la toxicologie des médicaments. Le domaine évolue rapidement, et de nombreuses technologies sont développées pour aider les chercheurs à s'engager dans le mouvement vers les modèles 3D.
Sources :
- Cacciamali A, Villa R, Dotti S. Cultures cellulaires 3D : Évolution d'un outil ancien pour de nouvelles applications. Front Physiol. 2022 Jul 22;13:836480. doi: 10.3389/fphys.2022.836480. PMID: 35936888; PMCID: PMC9353320.
- Jensen C, Teng Y. Est-il temps de commencer la transition de la culture cellulaire 2D à la culture cellulaire 3D ? Front Mol Biosci. 2020 Mar 6;7:33. doi: 10.3389/fmolb.2020.00033. PMID: 32211418; PMCID: PMC7067892.
- https://www.upmbiomedicals.com/resource-center/learning-center/what-is-3d-cell-culture/2d-versus-3d-cell-culture/
- Huh D, Hamilton GA, Ingber DE. De la culture cellulaire 3D aux organes sur puce. Trends Cell Biol. 2011 Dec;21(12):745-54. doi: 10.1016/j.tcb.2011.09.005. Epub 2011 Oct 25. PMID: 22033488; PMCID: PMC4386065.
Cultures cellulaires de sphéroïdes et d'organoïdes 3D : Les principales différences
[…] Dans le paysage dynamique de la recherche biomédicale, l'avènement des cultures cellulaires tridimensionnelles (3D) a révolutionné notre capacité à étudier des systèmes biologiques complexes en dehors du corps humain. Contrairement aux cultures bidimensionnelles (2D) traditionnelles, qui simplifient à l'excès les interactions cellulaires, les cultures 3D, telles que les sphéroïdes et les organoïdes, miment plus précisément la structure et la fonction complexes des tissus et des organes. Cette avancée est cruciale pour obtenir des informations plus approfondies sur les processus biologiques fondamentaux, les mécanismes des maladies et les réponses aux médicaments dans un contexte plus pertinent sur le plan physiologique. Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont développé des solutions innovantes pour cultiver des cellules en 3D. […]