Le foie joue un rôle fondamental dans les activités métaboliques telles que la régulation des niveaux de glucose dans le sang, la production de protéines plasmatiques, le métabolisme des médicaments, la production de bile [1][2] et présente une structure complexe d'un point de vue morphologique et fonctionnel [3].
En raison de son importance, il a été largement étudié au cours des dernières décennies afin de comprendre les mécanismes du métabolisme et de la toxicité des médicaments (DILI – Lésion hépatique d'origine médicamenteuse) ainsi que les maladies hépatiques telles que l'hépatite, la cirrhose, la fibrose et les cancers [4][5][6].
Bref aperçu de la structure du sinusoïde hépatique
La veine porte hépatique (provenant de l'intestin) et l'artère hépatique acheminent le sang vers le foie, où il est mélangé dans des capillaires appelés sinusoïdes et collecté dans la veine hépatique centrale, où il est ramené au cœur.
Le foie est composé d'unités répétitives, les lobules, de forme hexagonale, qui sont constitués d'hépatocytes (HCs) agencés en structures cordées autour des sinusoïdes, séparés par un espace périsinusoïdal, l'espace de Disse.
Les hépatocytes sont les cellules parenchymateuses du foie, principalement impliquées dans la synthèse des protéines et de la bile, ainsi que dans le métabolisme hépatique, tandis que les principales cellules non parenchymateuses (NPC) sont les cellules endothéliales sinusoïdales hépatiques (LSEC), les cellules de Kupffer (macrophages) et les cellules étoilées. Les hépatocytes reçoivent les nutriments des cellules sinusoïdales par des échanges à travers l'espace de Disse [2] [7][8].
Modèles de foie in vitro d'ingénierie
Un modèle de foie sur puce : le sinusoïde hépatique artificiel
Nous avons choisi de décrire ici le sinusoïde hépatique artificiel développé par Lee et al., qui ont conçu une plateforme microfluidique capable de recréer un microenvironnement physiologique (conditions de transport de masse) pour l'ensemencement d'hépatocytes primaires [11].
Détails sur la conception de la puce
La plateforme microfluidique était composée d'un canal pour le flux de nutriments et de médicaments et d'un compartiment cellulaire pour l'ensemencement d'hépatocytes densément tassés.
En effet, il a été démontré que des densités élevées de cellules primaires permettent la formation d'interactions cellule-cellule avec une viabilité et une activité métabolique accrues.
Une barrière de type endothélial perméable de forme sinusoïdale, composée d'un ensemble de microcanaux parallèles, a été intégrée dans la conception de la puce afin (i) d'éviter des contraintes de cisaillement élevées pouvant s'avérer dangereuses pour les hépatocytes et (ii) de tasser les hépatocytes dans la zone cellulaire.
Comment fabriquer un foie sur puce ?
Microfabrication de la puce
La résine photosensible SU-8 (une résine photosensible négative) a été structurée par photolithographie sur un wafer de silicium en deux étapes : une couche de résine photosensible SU-8 de 1 µm d'épaisseur a été déposée par centrifugation pour créer les canal de la barrière de type endothélial, puis une couche de résine photosensible SU-8 de 30 µm a été utilisée pour créer les canal du flux et l'ensemencement cellulaire.
Ensuite, des puces en polydiméthylsiloxane (PDMS) ont été répliquées à partir du moule en résine photosensible SU-8 et liées à une lame de verre.
Conception des paramètres de la puce pour imiter la microcirculation hépatique
La puce a été conçue pour assurer un débit volumétrique de nutriments de 100 pL/s (pour environ 250 hépatocytes chargés dans la zone cellulaire), typique de la microcirculation hépatique. Pour ce faire, la largeur, la hauteur et la longueur des canal ont été fixées à (50 x 30 x 1200) µm et (2 x 1 x 30) µm respectivement pour le canal de flux et la barrière perméable.
En utilisant une section transversale de canal de barrière de 2 x 1 µm, un faible flux convectif, et par conséquent une résistance fluide élevée (1000 fois supérieure à celle du canal de fluide), ont été garantis, permettant ainsi le transport par diffusion. De cette manière, les hépatocytes ont été exposés à de faibles contraintes de cisaillement et ont pu recevoir des nutriments par diffusion à travers la barrière.
Conception des paramètres de la puce pour contrôler le chargement d'hépatocytes densément tassés
La conception de la barrière de type endothélial a également permis le chargement d'une densité élevée de HCs sans les endommager ni la barrière elle-même.
La section transversale étroite des canaux a été vérifiée pour réduire la déformation de la membrane cellulaire à l'interface.
Ainsi, un flux positif a dirigé les cellules vers le bas de la zone cellulaire sans colmatage, ce qui a entraîné une forte compaction des cellules. De plus, une résistance croissante produite par les cellules a déterminé une diminution du taux de chargement à la fin du processus d'ensemencement.
Puce microfluidique pour la culture de cellules primaires : Résultats et conclusion
Des hépatocytes primaires de rat et humains ont été chargés dans la zone cellulaire et la viabilité cellulaire a été évaluée jusqu'à 7 jours.
La plateforme microfluidique a été perfusée en continu avec du milieu de culture. Les résultats ont montré que les deux lignées cellulaires ont maintenu leur viabilité après 7 jours sans nécessiter de revêtement de collagène (nécessaire dans les systèmes de culture statiques).
De plus, la haute densité cellulaire assurait une activité métabolique élevée grâce aux contacts cellule-cellule.
L'article montre comment les plateformes microfluidiques peuvent être conçues pour imiter fidèlement des fonctions spécifiques d'un tissu ou d'un organe. Dans ce travail, un dispositif microfluidique composé d'un canal de flux, d'une zone cellulaire et d'une barrière perméable de type endothélial a été conçu pour ressembler aux conditions de la microcirculation hépatique, améliorant ainsi la viabilité des hépatocytes et les interactions cellule-cellule.
Article rédigé par Alessandra Dellaquila.
Références
[1] Y. B. Kang et al., “Liver sinusoid on a chip: Long‐term layered co‐culture of primary rat hepatocytes and endothelial cells in microfluidic platforms,” Biotechnol. Bioeng., vol. 112, no. 12, pp. 2571–2582, 2015.
[2] C. H. Beckwitt et al., “liver ‘organ on a chip,’” Exp. Cell Res., 2017.
[3] Y. Du et al., “Mimicking liver sinusoidal structures and functions using a 3D-configured microfluidic chip,” Lab Chip, vol. 17, no. 5, pp. 782–794, 2017.
[4] L. A. Vernetti et al., “A human liver microphysiology platform for investigating physiology, drug safety, and disease models,” Exp. Biol. Med., vol. 241, no. 1, pp. 101–114, 2016.
[5] V. Natarajan, E. N. Harris, and S. Kidambi, “CEsS (cellules endothéliales sinusoïdales), microenvironnement hépatique et fibrose,” Biomed Res. Int., vol. 2017, 2017.
[6] S. S. Bale et al., “Plateformes in vitro pour l'évaluation de la toxicité hépatique,” Exp. Biol. Med., vol. 239, no. 9, pp. 1180–1191, 2014.
[7] A. J. Strain and J. M. Neuberger, “Un foie bioartificiel – état de l'art,” Science (80-. )., vol. 295, no. 5557, pp. 1005–1009, 2002.
[8] C. Moraes, G. Mehta, S. C. Lesher-Perez, and S. Takayama, Organs-on-a-Chip: A Focus on Compartmentalized Microdevices, vol. 40. 2011.
[9] H. Tsutsui and S. Nishiguchi, Importance des cellules de Kupffer dans le développement des lésions hépatiques aiguës chez la souris, vol. 15. 2014.
[10] G. H. Underhill et S. R. Khetani, “Bioengineered Liver Models for Drug Testing and Cell Differentiation Studies,” Cell. Mol. Gastroenterol. Hepatol., vol. 5, no. 3, pp. 426–439, 2018.
[11] P. J. Lee, P. J. Hung et L. P. Lee, “An artificial liver sinusoid with a microfluidic endothelial‐like barrier for primary hepatocyte culture,” Biotechnol. Bioeng., vol. 97, no. 5, pp. 1340–1346, 2007.
