Les sphéroïdes, en biologie, sont des agrégats cellulaires 3D mimant l'architecture et la fonction des tissus. Dans les environnements empêchant l'adhésion aux surfaces, les cellules peuvent en effet s'auto-assembler en structures sphériques, appelées sphéroïdes. Ces structures ont suscité un intérêt croissant ces dernières années, car elles constituent un modèle 3D, plus proche du microenvironnement in vivo des cellules dans un organisme vivant que la culture cellulaire 2D classique. La culture cellulaire 3D présente de nombreux avantages pour la recherche médicale, tels que la création de modèles plus prédictifs pour soutenir le développement de nouvelles thérapies. Dans cet article de blog, nous explorerons les bases de la formation des sphéroïdes cellulaires et nous plongerons dans leurs nombreuses applications.
Formation de sphéroïdes - Comment les cellules s'agrègent-elles ?
Il existe plusieurs façons de former des sphéroïdes, mais les processus biologiques derrière cet agrégat cellulaire sont assez complexes et impliquent plusieurs mécanismes cellulaires. Cela nécessite en effet l'adhésion cellule-cellule des cellules voisines via des récepteurs transmembranaires à la surface des cellules appelés intégrines, entraînant l'agrégation des cellules. Cela conduit à l'accumulation d'une autre protéine appelée cadhérine, impliquée dans l'adhésion cellule-cellule. Ensuite, ces cellules assemblées créent des jonctions serrées qui améliorent l'adhésion cellulaire initiale et augmentent également la compaction des sphéroïdes. De plus, des processus complexes de remodelage du cytosquelette, de production de matrice extracellulaire (MEC) et d'autres signalisations intracellulaires se produisent pendant le processus de formation des sphéroïdes.
Après leur formation initiale, les sphéroïdes peuvent continuer à croître, en particulier les sphéroïdes tumoraux, et peuvent être maintenus en culture pendant des semaines. Ils peuvent être exposés à des traitements et à d'autres conditions expérimentales auxquels ils réagiront par une modification de l'architecture cellulaire, une sécrétion de molécules ou d'autres comportements cellulaires. Au fil du temps, un gradient de nutriments et d'oxygène apparaîtra entre les couches internes et externes des cellules. Les processus cellulaires réguliers peuvent subir des modifications. Par exemple, le taux de prolifération cellulaire peut être impacté dans les cellules du cœur, moins exposées aux nutriments et à l'oxygène, ce qui peut entraîner l'apoptose (mort cellulaire programmée) ou la nécrose (mort cellulaire incontrôlée).
Quelles sont les techniques pour former des sphéroïdes cellulaires ?
Les différents types cellulaires présentent des propensions variables à former des sphéroïdes, d'où le développement de plusieurs méthodes pour favoriser l'agrégation cellulaire. Voici une liste (non exhaustive) de ces techniques :
- Certains types de cellules peuvent s'agréger naturellement, par l'expression de molécules d'adhésion cellulaire. Par exemple, les cellules cancéreuses s'auto-agrègent souvent en sphéroïdes, devenant finalement des tumeurs.
- Bien que certaines cellules puissent être relativement sujettes à la formation d'agrégats, elles pourraient également bénéficier d'une aide de l'environnement. Cette aide peut être apportée par l'ajout de composants biochimiques favorisant l'adhésion cellule-cellule, tels que les intégrines, les cadhérines ou les composants de la matrice extracellulaire et de nombreuses autres molécules.
- It is also possible to use low-attachment or non-adherent coatings on the surfaces of the device used for cellular aggregation. In addition, physically constraining the environment might enhance spheroid formation through specific shape of the wells (such as conical wells with special ledges enabling near-complete medium exchange, as seen on the InSphero AKURA microplates) or micropatterning with specific patterns on the surface to guide cellular aggregation.
- Le maintien des cellules en suspension par agitation peut empêcher les cellules de s'attacher à la surface et favoriser les contacts cellule-cellule. Bien que cela soit relativement simple à mettre en œuvre, cela entraîne souvent une forte variabilité de la taille des sphéroïdes.
- Les champs électriques et magnétiques, les ultrasons ou les ondes acoustiques peuvent également être utilisés pour favoriser l'agrégation cellulaire.
- Microfluidics can also be used to form cell aggregates, with several advantages: using less reagents, displaying a well-controlled environment, improved size homogeneity between spheroids of same and different batches, better modeling and cell viability through fluid dynamics.
- Une autre option très courante est d'utiliser la méthode de la goutte suspendue. Elle exploite la gravité pour faciliter les interactions cellule-cellule dans une gouttelette de milieu en suspension. Bien que cela puisse être réalisé sur le couvercle d'une boîte de Pétri, certains dispositifs ont été spécifiquement développés pour améliorer la reproductibilité et la production à haut débit de ces gouttes suspendues.
Résumé des techniques
| Technique | Description |
|---|---|
| Agrégation naturelle | Expression des molécules d'adhésion cellulaire. |
| Composants biochimiques | Favoriser l'adhésion cellule-cellule. |
| Revêtements à faible adhérence ou non-adhérents | Favoriser la formation de sphéroïdes. |
| Environnement contraignant | Guider l'agrégation cellulaire avec des formes de puits spécifiques ou le micropatterning. |
| Suspension et agitation | Prévenir l'adhésion de surface et favoriser les contacts cellule-cellule. |
| Champs physiques | Favoriser l'agrégation cellulaire en utilisant des champs électriques et magnétiques, des ultrasons ou des ondes acoustiques. |
| Microfluidique | Formation d'agrégats cellulaires en environnements contrôlés. |
| Goutte pendante | Exploiter la gravité pour faciliter les interactions cellule-cellule dans une gouttelette de milieu en suspension. |
Quels autres facteurs peuvent influencer l'agrégation cellulaire ?
- La densité cellulaire a un impact et il est important de déterminer le nombre optimal de cellules pour un volume donné, ce qui favorisera des interactions cellule-cellule efficaces pour une formation réussie de sphéroïdes. S'il n'y a pas assez de cellules, il pourrait y avoir des contacts cellule-cellule insuffisants, entraînant une agrégation médiocre. Cependant, un trop grand nombre de cellules peut induire un accès insuffisant aux nutriments, un stress cellulaire et finalement la mort cellulaire. Avoir une densité cellulaire constante contribuera également à des sphéroïdes homogènes et uniformes pour des expériences reproductibles.
- Culture cellulaire et conditions environnementales : tous les facteurs importants pour la viabilité et la croissance cellulaire impacteront également la formation des sphéroïdes. En effet, il est important d'avoir des niveaux suffisants de nutriments et d'oxygène, une température, un pH et des niveaux de CO2 optimaux, et une composition de milieu appropriée pour le type de cellule choisi. Si les conditions ne sont pas optimales, cela pourrait impacter les interactions et communications cellulaires et induire un stress cellulaire pouvant aller jusqu'à la mort cellulaire. Les métabolites produits par les cellules au sein du sphéroïde influencent également d'autres cellules. En particulier, les métabolites produits par les cellules situées au centre du sphéroïde pourraient ne pas atteindre les cellules des couches externes, et ainsi les cellules ne seraient pas exposées aux mêmes métabolites, ou à la même concentration de ceux-ci, selon leur emplacement dans le sphéroïde. Cela a un impact sur la communication intercellulaire et peut également jouer un rôle dans les différentes étapes de la formation des sphéroïdes.
- Les molécules d'adhésion et les composants de la matrice extracellulaire jouent un rôle important dans l'adhésion cellulaire et l'agrégation cellulaire. La promotion de l'expression de ces molécules peut également être un paramètre d'ajustement.
Quels sont les types de sphéroïdes cellulaires ?
De nombreux types de sphéroïdes existent, chacun apportant une contribution unique à la recherche :
Sphéroïdes tumoraux multicellulaires (MCTS)
Les sphéroïdes tumoraux multicellulaires (MCTS) jouent un rôle central dans la modélisation des tumeurs solides. Ces sphéroïdes, intermédiaires entre la culture 2D et les tumeurs in vivo, reproduisent des caractéristiques cruciales des tumeurs, telles que la formation de gradients de nutriments, le développement d'un noyau hypoxique avec un accès réduit à l'oxygène, mais aussi une communication intercellulaire physiologique et une hétérogénéité cellulaire. En mimant fidèlement le microenvironnement tumoral, les MCTS sont essentiels pour l'étude de la biologie du cancer et le test des thérapies anticancéreuses.
Source: Kamatar, A.; Gunay, G.; Acar, H. Natural and Synthetic Biomaterials for Engineering Multicellular Tumor Spheroids. Polymers 2020, 12, 2506.
Sphéroïdes de cellules souches
Dérivées de cellules souches pluripotentes induites (iPSCs), elles possèdent la remarquable capacité de se différencier en divers types cellulaires. Cette polyvalence en fait une pierre angulaire de la médecine régénérative et de la recherche en ingénierie tissulaire. Ces sphéroïdes offrent des aperçus sur le comportement des cellules souches et leurs applications thérapeutiques potentielles.
Corps embryonnaires (EBs)
Inclus dans la catégorie précédente, les corps embryoïdes (CE) sont formés à partir de cellules souches embryonnaires (CSE) et de CSPi. Ils sont utilisés pour étudier le développement embryonnaire précoce. Ils peuvent également servir de modèle pour l'ingénierie tissulaire, la médecine régénérative et la spécification de lignage.
Phase image of embryoid bodies (EBs) in suspension culture after 24 hours of formation. EBs were created from approximately 1000 mouse embryonic stem cells (D3 cell line). Scale bar = 100 µm.
Source: Embryoid body. (2024, June 22). In Wikipedia.
Sphéroïdes tissulaires spécifiques
Ce sont souvent des sphéroïdes de co-culture, présentant plusieurs types cellulaires pour imiter la complexité des tissus, car ils ne sont généralement pas composés d'un seul type cellulaire. Ces sphéroïdes facilitent l'étude des interactions cellule-cellule, de l'ingénierie tissulaire et de la modélisation des maladies. Ils fournissent un modèle plus physiologiquement pertinent en incorporant divers types cellulaires qui interagissent au sein d'un tissu.
Sphéroïdes hépatiques
Composés de cellules hépatiques (hépatocytes, cellules non parenchymateuses, cellules étoilées hépatiques), ces sphéroïdes sont utilisés pour modéliser la fonction hépatique et les maladies, étudier le métabolisme des médicaments et effectuer des tests de toxicité. Ils peuvent reproduire des activités hépatiques spécifiques, ce qui en fait un outil précieux pour les études hépatiques.
Neurosphères
Dérivées de cellules souches neurales ou de cellules progénitrices, les neurosphères sont utilisées pour étudier la neurogenèse, la différenciation neurale, les maladies neurodégénératives et l'ingénierie tissulaire neurale. Elles offrent un modèle dynamique pour explorer les complexités du système nerveux.
Cardiosphères
Composées de cellules progénitrices cardiaques, les cardiosphères jouent un rôle essentiel dans la recherche sur la régénération cardiaque, les modèles de maladies cardiaques et les tests de cardiotoxicité. Elles miment le microenvironnement cardiaque, offrant des perspectives sur la réparation des tissus cardiaques et les mécanismes des maladies.
Adiposphères
Formées à partir de cellules de tissu adipeux, les adiposphères sont utilisées pour étudier l'adipogenèse, l'obésité, les maladies métaboliques et le criblage de médicaments. Elles modélisent le comportement et la fonction du tissu adipeux, y compris le stockage des graisses et la sécrétion d'hormones.
En suivant les exemples décrits ci-dessus, il est possible d'imaginer des sphéroïdes pour tous les organes du corps, à condition que des conditions expérimentales optimales puissent être déterminées et que des études comparatives avec les modèles existants et in vivo soient réalisées pour valider la pertinence du modèle.
Sphéroïdes immunitaires
Ces agrégats intègrent des cellules immunitaires, telles que les lymphocytes et les macrophages, pour étudier les réponses immunitaires, l'immunothérapie et les interactions tumeur-immunité. Ils sont essentiels pour comprendre comment les cellules immunitaires interagissent avec d'autres types cellulaires et comment ces interactions influencent la progression de la maladie et les résultats des traitements.
Sphéroïdes vascularisés
Ils décrivent des sphéroïdes des catégories ci-dessus contenant des composants vasculaires ou qui sont dérivés de cellules endothéliales. Ils peuvent être utilisés dans la recherche sur l'angiogenèse, la biologie vasculaire et les tests de médicaments liés à la formation des vaisseaux sanguins. Ces sphéroïdes aident à comprendre la formation et la fonction des vaisseaux sanguins, ce qui est crucial pour l'ingénierie tissulaire et la recherche sur le cancer. La vascularisation est essentielle pour l'apport en nutriments et la survie cellulaire et est donc également critique pour le développement de modèles de sphéroïdes pertinents et physiologiques de différents types de tissus.
Tumor spheroid and vascular network performed in a microfluidic device.
Source: Nashimoto Y, Okada R, Hanada S, Arima Y, Nishiyama K, Miura T, Yokokawa R. Vascularized cancer on a chip: The effect of perfusion on growth and drug delivery of tumor spheroid.
Biomaterials. 2020 Jan;229:119547.doi: 10.1016/j.biomaterials.2019.119547. Epub 2019 Oct 17. PMID: 31710953.
Comment les sphéroïdes peuvent-ils être appliqués en recherche médicale ?
Le développement des cultures de sphéroïdes a apporté une toute nouvelle dimension à la recherche médicale. Ces agrégats cellulaires constituent des modèles fiables et rentables pour mieux comprendre les mécanismes des maladies, les voies biologiques, ainsi que l'efficacité et la toxicité des traitements. Ils représentent un nouveau modèle in vitro et une alternative à l'expérimentation animale pour une meilleure prédictibilité et une meilleure transposition aux essais cliniques chez l'homme.
| Application | Rôle |
|---|---|
| Criblage de médicaments | Utilisés pour étudier à la fois la toxicité et l'efficacité des molécules nouvellement développées et des médicaments actuellement autorisés, contribuant ainsi au repositionnement des médicaments. |
| Modélisation des maladies | Permettre une meilleure compréhension des mécanismes des maladies et l'élucidation des voies biologiques. |
| Médecine personnalisée | Potentiellement utilisé pour trouver le traitement le plus efficace pour les patients individuels. |
| Recherche sur le cancer | Offrir un modèle in vitro supérieur pour les tumeurs par rapport aux cultures cellulaires 2D, contribuant à l'étude de l'invasion tumorale, des métastases et au développement de thérapies anticancéreuses. |
| Ingénierie tissulaire | Utilisés comme éléments constitutifs pour développer des structures 3D plus grandes lors de la fusion de plusieurs sphéroïdes. Ils peuvent également être employés pour réparer ou remplacer des tissus lésés. |
| Thérapie Cellulaire | Employé pour délivrer des cellules physiologiquement dans le développement de thérapies cellulaires. |
De nombreuses autres façons d'utiliser les sphéroïdes en recherche et en thérapie peuvent et seront probablement découvertes à l'avenir, surtout si les inconvénients existants des sphéroïdes peuvent être limités.
Quelles sont les limites de l'utilisation des sphéroïdes cellulaires ?
Malgré son rôle pivot dans la recherche biomédicale contemporaine, la culture de sphéroïdes présente encore certaines limitations :
📏 Limitations de taille et reproductibilité
Plus un sphéroïde est grand, plus il sera soumis à des gradients de nutriments et donc à une nécrose cellulaire potentielle en son cœur. De plus, il est important de développer une méthode de production présentant une bonne homogénéité des sphéroïdes afin de pouvoir comparer les résultats de différents sphéroïdes. Il est également important de tendre à développer des méthodes standardisées afin d'obtenir des données reproductibles.
🤖 Automatisation et évolutivité
Bien que de nombreuses innovations apparaissent dans ce domaine, il est important de développer des systèmes automatisés pour la production et l'étude de sphéroïdes afin de les rendre utiles pour la recherche médicale à grande échelle.
🧑🔬 Expertise technique
At first, switching from 2D to 2D may require some laboratory equipment adaptations and technical training.
🔎 Analyse limitée
En raison de leur structure 3D, certains points d'analyse, comme l'imagerie, peuvent être difficiles. Il peut être difficile d'accéder au cœur du sphéroïde, ce qui pourrait limiter l'analyse aux couches externes.
🧩 Complexité limitée
Bien que plus complexes que les monocouches 2D, les sphéroïdes sont toujours moins complexes en termes d'architecture, de vascularisation, de nombre de types cellulaires et de fonctions que les tissus natifs.
Conclusion
Les sphéroïdes cellulaires présentent des caractéristiques très prometteuses pour une recherche plus physiologique, plus prédictive et plus efficace. Leur utilisation dans de nombreux domaines en fait un outil polyvalent et précieux pour les chercheurs et les professionnels de la santé. L'innovation constante dans le domaine des sphéroïdes au cours des dernières années offre également des perspectives prometteuses quant aux améliorations potentielles à venir.
Sources :
Białkowska K, Komorowski P, Bryszewska M, Miłowska K. Sphéroïdes comme type de cultures cellulaires tridimensionnelles – Exemples de méthodes de préparation et application la plus importante. Int J Mol Sci. 2020 Aug 28;21(17):6225. doi: 10.3390/ijms21176225. PMID: 32872135; PMCID: PMC7503223.
Decarli MC, Amaral R, Santos DPD, Tofani LB, Katayama E, Rezende RA, Silva JVLD, Swiech K, Suazo CAT, Mota C, Moroni L, Moraes ÂM. Les sphéroïdes cellulaires comme plateforme de recherche polyvalente : mécanismes de formation, production à haut débit, caractérisation et applications. Biofabrication. 2021 Apr 8;13(3). doi: 10.1088/1758-5090/abe6f2. PMID: 33592595.
Lazzari G., Couvreur P. & Mura S. (2017). Sphéroïdes tumoraux multicellulaires : un modèle 3D pertinent pour l'investigation préclinique in vitro des nanomédicaments polymères. Polym. Chem. 8, 4947.
