Que sont les organes sur puce ?
Organes sur puces (OoC) ou Systèmes Micro-Physiologiques (MPS) sont des systèmes microfluidiques qui permettent la croissance de cellules pour modéliser des tissus biologiques. Ces plateformes combinent un environnement multicellulaire avec une structure 2D ou 3D et des signaux mécaniques pour mimer l'environnement physiologique d'un organe.
Pourquoi la 3D est-elle importante en culture cellulaire ?
Actuellement, les tests in vitro sont principalement effectués sur un seul type cellulaire, cultivé en 2D, dans des flacons ou des plaques en polystyrène durs et plats. Même si ces techniques ont été utiles pour déchiffrer certains phénomènes, il est clair qu'elles ne reproduisent pas l'environnement des cellules à l'intérieur d'un corps. Dans le corps humain, les organes sont constitués de plusieurs types cellulaires, agencés en structure 3D, et entourés d'une matrice extracellulaire et d'autres tissus qui sont généralement beaucoup plus mous que les plastiques. Dans les monocouches 2D, la morphologie cellulaire et la polarité sont contraintes et ne sont pas représentatives de la réalité. De plus, les contraintes en termes d'accès aux nutriments et de propagation ou de migration sont inexistantes en 2D et ne modélisent pas ce qui se passe à l'intérieur du corps. Les interactions cellulaires avec l'environnement ou avec d'autres types cellulaires sont également absentes dans les modèles 2D.
Pourquoi les signaux mécaniques sont-ils importants dans le développement cellulaire ?
Comme exposé ci-dessus, dans le corps, les tissus sont exposés à différents types de forces mécaniques provenant de leur environnement. Certains organes, comme les muscles, sont soumis à des cycles de compression et d'étirement qui contribuent au développement et au devenir cellulaire. Sans ces forces mécaniques, la cellule se comporterait différemment ; il est donc important de reproduire ces forces dans un modèle 3D in vitro afin de mieux mimer les pathologies et de prendre également en compte ce mouvement naturel pour le développement de thérapies. Il convient de prendre en compte non seulement la nature de la stimulation biomécanique, mais aussi son amplitude, sa fréquence et sa durée.
La circulation sanguine est une autre composante de la biomécanique corporelle. La contrainte de cisaillement induite par l'écoulement à l'intérieur des capillaires, des vaisseaux et des artères a un impact profond sur les cellules endothéliales et le remodelage tissulaire global. Ainsi, il est crucial de reproduire un type de flux sanguin au sein de ces nouveaux modèles pour des raisons mécaniques mais aussi biologiques. En effet, le sang transporte les nutriments vers les tissus et les cellules, et un flux dynamique permet un apport constant de nutriments frais, contrairement à une culture statique où le même milieu peut rester plusieurs jours. De même, les déchets métaboliques cellulaires seront continuellement éliminés et ne s'accumuleront pas dans la culture cellulaire, ce qui pourrait induire une toxicité pour les cellules.
Thompson CL, Fu S, Heywood HK, Knight MM and Thorpe SD (2020) Mechanical Stimulation: A Crucial Element of Organ-on-Chip Models. Front. Bioeng. Biotechnol. 8:602646. doi: 10.3389/fbioe.2020.602646
Pourquoi développe-t-on des organes sur puce ?
Le besoin de ces outils en recherche est apparu dans le processus de découverte de médicaments afin de répondre à plusieurs attentes non satisfaites.
- Réduire les coûts et la durée : actuellement, il peut falloir jusqu'à 20 ans et des milliards de dollars pour commercialiser un médicament
- Minimiser l'expérimentation animale : les tests précliniques de toxicité et d'efficacité des candidats-médicaments sont effectués sur des animaux tels que les rongeurs et les primates. Chaque année, des millions d'animaux sont utilisés pour modéliser la biologie humaine, ce qui soulève des considérations éthiques et de pertinence scientifique.
- Obtenir des modèles plus pertinents de la biologie humaine : il est nécessaire de disposer d'un modèle humain systémique pour tester la toxicité et l'efficacité dans des conditions plus physiologiques que les modèles humains in vitro ou animaux in vivo actuels.
Il existe un grand espoir que le développement et l'utilisation de nouveaux modèles humains 3D pourraient contribuer à augmenter le taux de réussite des tests de médicaments tout en réduisant les coûts et la durée du développement de médicaments.
À quelles applications les organes sur puce peuvent-ils servir ?
Les organes sur puce peuvent être utilisés pour diverses applications tout au long du processus de développement médicamenteux, y compris l'étude critique de la barrière hémato-encéphalique. Ils peuvent servir à modéliser des maladies pour en élucider certains mécanismes, mais aussi à tester la sécurité et le métabolisme de candidats-médicaments. L'un des objectifs ultimes du développement des organes sur puce est de les utiliser pour la médecine personnalisée, en cultivant les cellules spécifiques du patient pour y tester plusieurs molécules et ainsi choisir le traitement le plus efficace. De manière générale, pour une utilisation optimale et une adhésion des chercheurs aux organes sur puce, les modèles doivent être conçus pour être associés à des techniques de recherche classiques telles que l'imagerie à haute résolution, l'expression de l'ARN et des protéines, ou la mesure de biomarqueurs sécrétés par les cellules.
Références :
- https://www.upmbiomedicals.com/resource-center/learning-center/what-is-3d-cell-culture/2d-versus-3d-cell-culture/
- Franzen N, van Harten WH, Retèl VP, Loskill P, van den Eijnden-van Raaij J, IJzerman M. Impact of organ-on-a-chip technology on pharmaceutical R&D costs. Drug Discov Today. 2019 Sep;24(9):1720-1724. doi: 10.1016/j.drudis.2019.06.003. Epub 2019 Jun 8. PMID: 31185290.
- Thompson CL, Fu S, Heywood HK, Knight MM and Thorpe SD (2020) Mechanical Stimulation: A Crucial Element of Organ-on-Chip Models. Front. Bioeng. Biotechnol. 8:602646. doi: 10.3389/fbioe.2020.602646
Culture cellulaire 3D : Avantages et inconvénients
[…] 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 ; […]