OCTOPUS, un dispositif optimisé pour la culture de mini-organes dans un plat
Des ingénieurs créent un dispositif permettant aux organoïdes intestinaux de se développer jusqu'à un niveau de maturité sans précédent
Lorsqu'il s'agit du corps humain, il n'y a rien de typique. La variation est la règle. Ces dernières années, les sciences biologiques se sont attachées à explorer l'absence poignante de normes entre les individus, et les chercheurs en médecine et en pharmacie s'interrogent sur la manière de traduire les connaissances sur la variation biologique en soins plus précis et plus humains.
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Et si les thérapies pouvaient être adaptées à chaque patient ? Que se passerait-il si nous pouvions prédire la réponse d'un organisme individuel à un médicament avant de procéder à des essais et des erreurs de traitement ? Est-il possible de comprendre la façon dont la maladie d'une personne commence et se développe afin de savoir exactement comment la guérir ?
Dan Huh, professeur associé au département de bio-ingénierie de l'école d'ingénierie et de sciences appliquées de l'université de Pennsylvanie, cherche des réponses à ces questions en reproduisant des systèmes biologiques à l'extérieur du corps. Ces copies externes de systèmes internes promettent d'améliorer l'efficacité des médicaments tout en fournissant de nouveaux niveaux de connaissances sur la santé des patients.
Innovateur dans le domaine de la technologie des organes sur puce, c'est-à-dire des copies miniatures de systèmes corporels stockées dans des dispositifs en plastique de la taille d'une clé USB, M. Huh a élargi son champ d'action en concevant des mini-organes dans un plat à partir des cellules du patient.
Une étude récente publiée dans Nature Methods et dirigée par Huh présente OCTOPUS, un dispositif qui permet d'amener des organes en boîte à des niveaux de maturité inégalés. Les responsables de l'étude sont Estelle Park, doctorante en bio-ingénierie, Tatiana Karakasheva, directrice associée du programme de modélisation de l'épithélium gastro-intestinal à l'hôpital pour enfants de Philadelphie (CHOP), et Kathryn Hamilton, professeur adjoint de pédiatrie à la Perelman School of Medicine de Pennsylvanie et codirectrice du programme de modélisation de l'épithélium gastro-intestinal au CHOP.
Dans cette étude, l'équipe a utilisé OCTOPUS( plateforme d' organogénèse tridimensionnelle basée sur la culture d'organoïdesavec apport illimitéde signaux solubles) pour en savoir plus sur les défis uniques auxquels sont confrontés les enfants souffrant de maladies inflammatoires de l'intestin (MII).
"L'objectif de cette recherche, explique Park, est de créer des dispositifs qui offrent aux cellules un environnement aussi proche que possible du corps humain. Nous voulons que leur développement dans le plat corresponde à celui de leur source, afin d'avoir une copie conforme dont nous pouvons tirer des enseignements. Dans un monde où plus de 90 % des études précliniques sur des animaux échouent avant d'être testées sur des sujets humains, et où l'éthique des deux est complexe, OCTOPUS sera un complément inestimable à la pratique actuelle des laboratoires."
Mis au point pour la première fois en 2009, ces organes en boîte, appelés "organoïdes", ont ouvert la voie à des améliorations majeures dans la recherche médicale et les soins aux patients.
Pour les fabriquer, les scientifiques collectent des cellules souches spécifiques à un organe et les introduisent dans une gouttelette de gel tridimensionnel. Nourries par un régime chimique soigneusement élaboré, les cellules souches s'organisent spontanément en un organe immature.
Par rapport aux simples cultures cellulaires bidimensionnelles qui constituent l'épine dorsale des tests de laboratoire, les organoïdes recèlent une mine d'informations. Les organes sont constitués d'une variété de types de cellules, et ces cellules sont plus que la somme de leurs matériaux biologiques. Elles se développent et fonctionnent en communiquant les unes avec les autres.
Les organoïdes, contrairement aux cultures cellulaires traditionnelles, permettent à ces relations de se développer. Ils fournissent des outils puissants pour étudier comment les organes se développent et remplissent leurs fonctions spécialisées.
Générant une multitude de données difficiles d'accès sur le corps humain, les organoïdes reproduisent à la fois les aspects sains et anormaux des organes de chaque patient. Plus l'organoïde est mature, plus il se rapproche de la complexité réelle de l'organe.
Avec OCTOPUS, l'équipe de M. Huh a considérablement fait avancer les frontières de la recherche sur les organoïdes, en fournissant une plateforme supérieure aux gouttelettes de gel conventionnelles.
OCTOPUS divise le matériau de culture en hydrogel mou en une géométrie en forme de tentacule. Les minces chambres de culture radiales reposent sur un disque circulaire de la taille d'une pièce de 25 cents américains, permettant aux organoïdes d'atteindre un degré de maturité sans précédent.
"La maturité limitée des tissus est un problème important dans la recherche sur les organoïdes et les cellules souches", explique M. Huh.
"Les efforts pour résoudre ce problème se sont principalement concentrés sur la biochimie en développant de meilleures formulations de milieux qui aident les cellules souches à se différencier en tissus plus matures. En tant qu'ingénieurs, nous avons abordé ce problème sous un angle différent en prêtant davantage attention aux aspects physiques de la croissance des organoïdes. En redessinant la géométrie tridimensionnelle de l'échafaudage d'hydrogel, nous avons pu créer l'environnement biochimique des modèles de culture conventionnels. OCTOPUS améliore le transport des nutriments, de l'oxygène et des facteurs de croissance sans aucune reformulation de la biochimie du milieu."
L'article présente également une version améliorée de la plateforme, appelée OCTOPUS-EVO, qui porte la maturité à un niveau supérieur. Transformant l'insert en un dispositif compartimenté avec un contrôle précis de son environnement fluide, l'équipe de Huh a utilisé une variété de types de cellules d'organes pour créer des organoïdes si avancés qu'ils ont développé des vaisseaux sanguins fonctionnels.
"La beauté de notre technologie, déclare Huh, est son minimalisme. Nous avons conçu le dispositif en pensant avant tout à sa facilité d'utilisation. Un simple insert, OCTOPUS peut être intégré sans effort aux techniques de laboratoire existantes. Cette technologie est facile à adopter et prête à avoir un impact immédiat."
M. Hamilton, dont le laboratoire utilise actuellement OCTOPUS pour faire pousser des organoïdes afin d'étudier les maladies intestinales des enfants, décrit ces appareils comme étant transformateurs.
"Plus les chercheurs médicaux parviennent à reproduire fidèlement la façon dont l'organe agit dans le corps, mieux ils peuvent prédire la réponse du patient", déclare Hamilton. "Cette technologie est exactement ce dont nous avons besoin pour cribler les médicaments, tester les thérapies, décrire les comportements sains et localiser les dysfonctionnements. Nous apprenons de nouvelles choses tous les jours."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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