La plate-forme de culture cellulaire microfluidique automatisée et modulaire réduit le stress glycolytique dans les organoïdes du cortex cérébral

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20173 (2022) Citer cet article

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Les systèmes d'organes sur puce combinent la microfluidique, la biologie cellulaire et l'ingénierie tissulaire pour cultiver des modèles in vitro 3D spécifiques à un organe qui récapitulent la biologie et la physiologie de leurs homologues in vivo. Ici, nous avons développé une plate-forme multiplex qui automatise la culture d'organoïdes individuels dans des microenvironnements isolés à des débits de médias définis par l'utilisateur. Les flux de travail programmables permettent l'utilisation de plusieurs réservoirs de réactifs qui peuvent être appliqués à la différenciation directe, à l'étude des variables temporelles et à la culture de cultures à long terme. De nouvelles techniques de fabrication de puces en polydiméthylsiloxane (PDMS) sont décrites ici, qui permettent des fonctionnalités sur les plans supérieur et inférieur d'un seul substrat PDMS. L’analyse par séquençage d’ARN (ARN-seq) de cultures organoïdes automatisées du cortex cérébral montre des avantages dans la réduction du stress du réticulum glycolytique et endoplasmique par rapport aux cultures cellulaires in vitro conventionnelles.

La culture cellulaire constitue un modèle principal pour l’étude des maladies humaines et de leur développement depuis plus de 70 ans, depuis l’isolement de cellules HeLa provenant d’une biopsie d’un cancer du col de l’utérus humain1,2. Utilisés à l’origine comme véhicule de recherche sur les virus, les protocoles de culture de cellules humaines ont été optimisés pour une croissance rapide et facile afin de produire de grandes quantités de matériel. Bien que les protocoles de culture tissulaire aient progressé, notamment en réduisant de nombreux composants du milieu, la plupart de ces recettes originales restent en place. Il reste encore beaucoup à améliorer pour que les protocoles de culture tissulaire reproduisent les concentrations, l’apport et l’élimination physiologiques des nutriments. La microfluidique automatisée nous permet d’aller au-delà des protocoles traditionnels en alimentant à des taux et avec une précision impossibles à réaliser manuellement.

Les progrès récents dans le domaine des cellules souches et de la biologie du développement ont généré des modèles plus précis ressemblant à certains aspects des tissus humains primaires3,4. Les cellules souches embryonnaires humaines (hES) et les cellules souches pluripotentes induites (iPS), collectivement appelées cellules souches pluripotentes (CSP), ont le potentiel de se différencier en la plupart des types de cellules du corps, et les protocoles en ont profité pour générer des modèles de culture 3D. pour les tissus humains, notamment le cerveau, les intestins, le foie et le sein5,6. Ces cultures cellulaires auto-assemblées et spécifiques à un organe, appelées organoïdes, sont largement utilisées comme modèles in vitro dans la recherche sur le développement, la pathogenèse et la médecine7,8,9. Les organoïdes imitent les caractéristiques fonctionnelles clés de la physiologie de leur homologue tissulaire primaire avec plus de précision que les cultures cellulaires 2D6. Au-delà de leur utilisation comme modèles in vitro, les organoïdes sont également étudiés pour des applications en médecine régénérative et dans les soins de santé en tant que tissus pour implants5. À mesure que la technologie ouvre de nouvelles frontières, il existe un besoin croissant de meilleures méthodes pour cultiver, contrôler et analyser les cultures organoïdes. Il est nécessaire de réduire l'écart entre les cultures in vitro et les tissus primaires. Des efforts tels que les avancées présentées ici exploitent la microfluidique de précision, l’automatisation robotique et la détection sans contact pour permettre une culture cellulaire robuste et reproductible optimisée pour la fidélité des tissus.

La capacité des organoïdes dérivés de la PSC à s'auto-assembler et à générer de nombreux types de cellules spécifiques à des tissus les rend particulièrement utiles pour modéliser des tissus et des systèmes complexes. Le cerveau contient l’une des complexités les plus élevées du corps humain, et les chercheurs peuvent générer des modèles de haute qualité de différentes régions du cerveau grâce à la technologie organoïde. Les organoïdes cérébraux sont une forme d'organoïde cérébral qui modélise la physiologie du cortex cérébral, contenant de nombreux types de cellules et sous-régions spécifiques au cortex10. Ces organoïdes sont largement utilisés pour la recherche sur le développement cérébral prénatal11,12,13, les pathologies cérébrales14 et les tests thérapeutiques15. Les organoïdes cérébraux atteindront quelques millimètres de diamètre au cours d’une culture prolongée et pourront être maintenus en culture indéfiniment16.