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Le CD est un métal lourd naturellement présent classé comme cancérogène de groupe 1 et est devenu une préoccupation environnementalemondiale 1. L’exposition humaine au CD se fait principalement par inhalation et une alimentation alimentaire. Bien que l’exposition chronique à de faibles doses soit associée à une série de conséquences négatives pour la santé, réduire substantiellement son utilisation et ses rejets environnementaux resteun défi 2,3. Les cultures bidimensionnelles traditionnelles poussent sur des substrats plats et manquent d’architecture tissulaire, de polarité cellulaire et de microenvironnement tumoral. Par conséquent, ils possèdent une capacité limitée à récapituler l’hétérogénéité in vivo et les réponses toxicologiques authentiques à l’exposition aucadmium 4. De tels systèmes ne peuvent pas modéliser adéquatement les interactions cellule-cellule, la croissance dépendante de la matrice ou les processus biologiques sous-jacents au développement de la résistance auxmédicaments 5. Les systèmes organoïdes tridimensionnels dérivés des tissus des patients offrent une plateforme plus pertinente sur le plan physiologique comparée aux lignées cellulaires bidimensionnellesconventionnelles 6. Les organoïdes conservent les caractéristiques génomiques, l’organisation histologique et les états fonctionnels du tissu primaire. Cela permet une modélisation plus précise de la croissance, de l’évolution et de la sensibilité à la toxicité du cadmium, offrant des avantages évidents pour la modélisation des maladies et la recherche entoxicologie 7. Les CO possèdent une architecture tridimensionnelle complexe, une hétérogénéité cellulaire et des capacités intrinsèques de renouvellement et d’auto-organisation 8,9. La transplantation de COs chez des souris receveuses peut favoriser l’auto-renouvellement des cellules souches intestinales et moduler le microenvironnement immunitaire de l’hôte, produisant des effetsprotecteurs 4. En 2009, Sato et al. ont démontré pour la première fois qu’une seule cellule souche intestinale adulte Lgr5⁺ peut s’auto-organiser et se différencier spontanément pour former des structures crypt-villosités englobant toutes les lignées cellulairesintestinales 10.
L’épithélium intestinal constitue la première ligne de défense contre la toxicité au CD après ingestion. En fait, la biodisponibilité orale du Cd est généralement inférieure à 5 %. La toxicité intestinale induite par la Cd se caractérise par la perturbation des jonctions intercellulaires, une perméabilité paracellulaire accrue et l’induction de réponses inflammatoires. De plus, le Cd perturbe la fonction immunitaire intestinale et modifie la composition ainsi que l’homéostasie du microbiote intestinal11. Selon la dose et la durée d’exposition, le Cd peut provoquer une dysrégulation du cycle cellulaire, favorisant des phénotypes oncogéniques dans certains contextes tout en induisant l’apoptose dans d’autres. Le CD peut indirectement stimuler la production des ROS (espèces réactives de l’oxygène), déclenchant un stress oxydatif et un déséquilibre redox. La fonction des récepteurs, kinases, phosphatases, protéases, molécules d’adhésion et facteurs de transcription peut être modulée via la signalisation redox. Le CD perturbe également les cascades de signalisation, modifiant le statut d’activation d’ERK1/2, JNK (kinase N-terminale c-Jun) et p38 MAPK (protéine kinase activée par le mitogène p38) à travers plusieurs typescellulaires 12. En activant ERK1/2 dans la cascade MAPK, Cd peut favoriser la prolifération et la survie cellulaire, supprimer la mort cellulaire programmée et contribuer à une hyperproliférationaberrante 13. La CD peut réguler directement ou indirectement l’expression et l’activité des principales protéines effectrices. Par exemple, il régule à la baisse le suppresseur tumoral p53 et augmente les protéines anti-apoptotiques telles que Bcl-2 et Bcl-xL, perturbant ainsi en fin de compte l’apoptose et l’homéostasie du cyclecellulaire 14.
Dans les modèles de CO utilisés pour évaluer les effets cytotoxiques du Cd, la mesure de la teneur en ATP est largement employée pour évaluer la viabilité organoïde. L’ATP, la molécule centrale du métabolisme énergétique, reflète directement l’état métabolique global et la viabilité des organoïdes. Lors de l’exposition au cadmium chez les COs, le Cd induit principalement un dysfonctionnement mitochondrial, aggrave le stress oxydatif et perturbe l’homéostasie de l’énergie organoïde. Ces événements affectent collectivement la production d’ATP et réduisent finalement la viabilité des organoïdes. Par conséquent, les variations des niveaux d’ATP servent de lecture fonctionnelle robuste de la cytotoxicité induite par le cadmium. Les tests conventionnels de cytotoxicité incluent les tests colorimétriques MTT/CCK-8, la coloration Live/Dead et les analyses basées sur la cytométrie en écoulement. Comparés à ces méthodes, les tests basés sur l’ATP offrent des avantages distincts dans les systèmes organoïdes tridimensionnels. En raison de la complexité structurelle et de l’hétérogénéité spatiale marquée des organoïdes, les approches traditionnelles de coloration et d’imagerie sont souvent limitées par une pénétration tissulaire insuffisante et une précision quantitative réduite. En revanche, les tests ATP reposent sur une réaction bioluminescente médiée par la luciférase, permettant une quantification directe sans perturber la structure organoïde. La mesure de l’ATP présente une grande sensibilité et une large plage dynamique. Cela permet de détecter des réponses biologiques continues, allant de la suppression métabolique précoce à la mort organoïde, facilitant des analyses dose-réponse précises sur différentes concentrations de cadmium. Les niveaux d’ATP reflètent de manière exhaustive l’état fonctionnel global des organoïdes, surpassant les approches dépendant de l’évaluation morphologique ou de marqueurs moléculaires uniques. Par conséquent, ce test est particulièrement adapté au criblage de toxicité à haut débit, offrant une meilleure stabilité et reproductibilité.
Le principe fondamental sous-jacent à l’utilisation de la bioluminescence de l’ATP pour évaluer la sensibilité des COs à l’exposition au CD est que la luciférase de luciole catalyse l’oxydation de la D-luciférine en présence d’ATP, Mg2⁺ et O₂ pour produire de l’oxyluciférine et émettre des photons. L’intensité de la lumière émise est proportionnelle à la teneur mesurable en ATP dans l’échantillon dans une plage linéaire définie. Par conséquent, la luminescence sert de substitut quantitatif indirect à l’activité métabolique cellulaire ou à la viabilité. Les organoïdes sont intégrés dans une matrice extracellulaire et possèdent une structure tridimensionnelle multicouche. Pour cela, les réactifs d’essai ATP disposent de compositions et procédures optimisées de tampon de lyse. Ces optimisations améliorent la perturbation des cellules organoïdes internes, favorisent la libération d’ATP et stabilisent le signalbioluminescent 15. Il est important de noter que la bioluminescence de l’ATP indique l’activité métabolique plutôt qu’un nombre exact de cellules. Par exemple, les inhibiteurs mitochondriaux peuvent réduire considérablement les niveaux d’ATP cellulaires sur de courtes périodes, même lorsque les cellules restent viables. Inversement, certaines formes précoces de mort cellulaire peuvent préserver transitoirement des niveaux relativement élevés d’ATP.
Bien qu’ils démontrent une pertinence physiologique supérieure dans les évaluations de toxicité au cadmium (Cd), les modèles organoïdes colorectaux présentent plusieurs limites pratiques. Comparée aux lignées cellulaires traditionnelles bidimensionnelles (2D), la culture des organoïdes est plus chronophage et coûteuse. De plus, leur dépendance aux matrices dérivées d’animaux introduit une variabilité de lot en batch, ce qui limite leur utilité dans le criblage de toxicité à grande échelle et à haut débit. Bien que ces modèles soient très appropriés pour évaluer les effets toxicologiques directs des métaux lourds sur l’épithélium intestinal, ils ne peuvent pas encore remplacer entièrement les modèles in vivo pour évaluer la toxicité systémique ou les processus toxicocinétiques complexes.
Dans cette étude, le tissu colorectal humain a été utilisé comme matériau source pour isoler les cellules souches colorectales et établir des COs in vitro. Les organoïdes ont été exposés au Cd à différentes concentrations et pendant différentes durées d’exposition. La luminescence a ensuite été mesurée à l’aide du lecteur de microplaques multimode en mode détection de luminescence. La viabilité de la cellule ou les valeurs IC50 ont été calculées et visualisées à l’aide d’un logiciel opérationnel pour un lecteur de microplaques spécifique.