Au cours des dernières années, des développements majeurs ont eu lieu dans les plateformes d' organes sur puce (OoC). Pourtant, il n'existe pas de modèle 'universel', et il n'y en aura probablement jamais, compte tenu de la variété des applications pour lesquelles ces dispositifs peuvent être utilisés. Ainsi, il est judicieux de prendre en compte plusieurs paramètres clés lors du choix ou du développement d'une plateforme d'Organe sur puce afin d'obtenir un système le mieux adapté à la question scientifique à laquelle répondre.
Si vous souhaitez en savoir plus sur les organes sur puce, lisez notre article : Organe sur puce : un aperçu général.
Conception du dispositif Organe sur puce
La conception de la puce est un élément critique à prendre en compte lors du développement d'un modèle OoC. Elle dépend de l'application spécifique pour laquelle le dispositif sera utilisé. Cela déterminera les paramètres géométriques tels que le nombre, la forme et les dimensions des canaux, le nombre d'entrées/sorties, et la présence de chambres de culture, de ports, ou de tout autre élément nécessaire pour mener à bien l'étude prévue. Du côté biologique, le nombre de cellules, la densité et le volume de fluide doivent également être pris en compte lors du processus de conception. Une définition appropriée de ces éléments contribuera à une modélisation physiologique précise de l'organe/des cellules étudiées.
Une autre question qui se pose lors de la mise en œuvre d'un modèle OoC est la nécessité du multiplexage – c'est-à-dire avoir plusieurs conceptions sur une seule plateforme – ce qui définira souvent le format de la plateforme. Disposer de plusieurs réplicats sur le même dispositif peut représenter un gain de temps considérable et même être nécessaire, en particulier pour les tests de médicaments.
La conception de la plateforme doit également prendre en compte les paramètres que le chercheur souhaite tester/mesurer avec celle-ci. Certains résultats pertinents pour l'étude peuvent nécessiter un accès à des parties spécifiques de la puce pour effectuer des analyses. Par exemple, pour identifier un biomarqueur spécifique, il peut être utile de pouvoir collecter des effluents plusieurs fois au cours de l'étude et ainsi prévoir un port spécial pour faciliter la collecte des milieux. De plus, si une analyse doit être effectuée sur les cellules/tissus à la fin de l'expérience, il est important de pouvoir récupérer les cellules/tissus de la plateforme.
Enfin, des paramètres logistiques supplémentaires tels que l'encombrement, l'utilisation en incubateur, la circulation du fluide, entre autres, peuvent influencer la manière dont la plateforme sera utilisée et, par conséquent, sa conception.
Comment choisir le bon matériau pour votre dispositif organe sur puce ?
Le choix du matériau est d'une grande importance, mais il n'est pas si facile de trouver un matériau qui répondra à toutes les exigences de l'expérience et des compromis pourraient être nécessaires dans cette sélection. Parmi les paramètres de cette sélection figurent la biocompatibilité, bien sûr, mais aussi la stratégie de microfabrication choisie ou disponible, les points finaux que le modèle doit atteindre, la rigidité du substrat, la perméabilité aux gaz, les considérations concernant la production de masse, et bien d'autres.
Les principaux matériaux pour les dispositifs organe sur puce
Actuellement, il n'existe pas de matériau idéal parfait pour les dispositifs OoC. En général, il est préférable que le matériau choisi ne soit pas toxique pour les cellules, soit perméable aux gaz et permette une observation optique. Plusieurs options de matériaux sont disponibles, chacune présentant des avantages et des inconvénients en termes de paramètres physico-chimiques, biologiques, économiques ou pratiques.
D'après Campbell et al., 2021 – Vert : bon, jaune : moyen, rouge : mauvais
Le matériau le plus utilisé pour les puces microfluidiques et les OoC est le PDMS (Polydiméthylsiloxane), principalement en raison de sa facilité d'utilisation, de son faible coût et de sa transparence optique. Il présente également une perméabilité élevée qui peut être à la fois un avantage et un inconvénient. Bien qu'il permette un apport adéquat en oxygène aux cultures cellulaires, il peut également interférer avec le métabolisme des médicaments ou la production de métabolites par les tissus, avec un risque accru que les petites molécules d'intérêt soient absorbées dans la matrice polymère.
D'autres matériaux couramment utilisés dans la fabrication de puces sont les thermoplastiques. Leur faible coût, leur faible absorption et leurs propriétés de transparence optique constituent des avantages importants pour la production (de masse) d'OoC. Cependant, la rigidité des thermoplastiques peut poser problème pour la modélisation physiologique. Dans le corps, la rigidité des tissus peut descendre jusqu'à quelques kPa pour le tissu adipeux ou le cerveau, comparativement aux quelques GPa des thermoplastiques courants. Il peut également être difficile de créer des géométries complexes avec les thermoplastiques, ce qui peut constituer une limitation pour la conception de la puce.
Un autre matériau utilisé pour les dispositifs OoC est le verre, qui présente l'avantage d'être hautement transparent, inerte, biocompatible et de posséder une faible autofluorescence. La surface du verre peut également être facilement modifiée pour ajuster l'adhésion cellulaire. Cependant, les dispositifs en verre sont beaucoup plus fragiles et coûteux, en plus d'un processus de fabrication plus laborieux.
Stérilisation des matériaux et traitement de surface
Une fois qu'un matériau a été choisi, des questions concernant sa stérilisation ou sa fonctionnalisation peuvent se poser.
La stérilisation peut s'avérer nécessaire afin d'éviter toute contamination microbienne du dispositif, laquelle pourrait interférer avec l'étude menée et ses résultats. De nombreuses techniques de stérilisation existent, telles que l'autoclavage, l'exposition aux UV, le traitement à l'éthanol, l'irradiation gamma ou le traitement à l'oxyde d'éthylène. Cependant, toutes ces méthodes ne sont pas compatibles avec l'ensemble des matériaux mentionnés ci-dessus. Par exemple, bien qu'il soit sûr d'autoclaver le polycarbonate (PC), cela pourrait ne pas être le cas pour le PMMA. Il est donc crucial de choisir la technique de stérilisation appropriée pour prévenir tout dommage au matériau sélectionné.
Le traitement de surface peut également être une étape nécessaire dans le développement des dispositifs OoC pour plusieurs raisons : assurer la biocompatibilité, et améliorer ou prévenir l'adhésion cellulaire. Là encore, plusieurs techniques peuvent être disponibles pour remplir ces fonctions, et la compatibilité avec le matériau de la puce ainsi qu'avec les cellules/tissus est requise.
Références :
- Scott B. Campbell, Qinghua Wu, Joshua Yazbeck, Chuan Liu, Sargol Okhovatian, and Milica Radisic – ACS Biomaterials Science & Engineering 2021 7 (7), 2880-2899 – DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c00640
- Toepke Michael W., et David J. Beebe. “PDMS Absorption of Small Molecules and Consequences in Microfluidic Applications.” Lab on a Chip, Nov. 2006. The Royal Society of Chemistry, https://doi.org/10.1039/b612140c
- Leung C.M., de Haan, P., Ronaldson-Bouchard, K. et al. Un guide de l'organe sur puce. Nat Rev Methods Primers 2, 33 (2022). https://doi.org/10.1038/s43586-022-00118-6
- Yanping Wang, Yanfeng Gao, Yongchun Pan, Dongtao Zhou, Yuta Liu, et al., Tendances émergentes dans les systèmes organe sur puce pour le criblage de médicaments, Acta Pharmaceutica Sinica B, Volume 13, Issue 6, 2023, Pages 2483-2509, ISSN 2211-3835, https://doi.org/10.1016/j.apsb.2023.02.006.
