Interview: bioréacteurs et de surfaçage-Modified-3D Echafaudages pour la recherche de cellules souches

Je m'appelle Karlan et je travaille en tant que biophysicien à l'Institut des interfaces biologiques. À l'Institut de technologie Cal Screw, nous développons des bioréacteurs et des échafaudages tridimensionnels à surface modifiée pour la culture de tissus fonctionnels et la recherche sur les cellules souches. Nous nous intéressons principalement à l'interaction entre les cellules et leur environnement artificiel. Un éditorial de Nature publié en 2003 posait la question de la « biologie plate », et la question est la suivante : que signifie-t-on par là ?

Dans le passé, de nombreux systèmes de culture in vitro, principalement les cultures en monocouche, souffraient d'inconvénients tels que, par exemple, une durée de vie relativement courte des cellules primaires différenciées et une dédifférenciation au cours de la culture. Cela signifie qu'elles perdaient très rapidement la plupart de leurs fonctions spécifiques à l'organe. Par conséquent, afin de reproduire in vitro des conditions plus favorables pour ces cellules, de nombreuses modifications et adaptations différentes ont été apportées aux cultures conventionnelles en monocouche.

Cela inclut la composition du milieu de culture et le revêtement des récipients de culture dans lesquels les cellules forment principalement des monocouches. Toutes ces approches indiquent l'importance des interactions entre les cellules et la matrice, ainsi que de la communication entre cellules. Un autre aspect important semble être l'établissement de contextes spécifiques aux cellules, réalisés par exemple par des complexes jonctionnels en gap, qui constituent une caractéristique commune de nombreuses cellules in vivo.

Dans les cultures conventionnelles en monocouche, la communication par jonctions gap est rapidement perdue. Pendant longtemps, il a été possible de rétablir in vitro, dans une certaine mesure, un arrangement des cellules semblable à un tissu en utilisant la technique dite de la stéroidisation.

Un exemple provenant de notre laboratoire est que nous avons pu démontrer que même les hépatocytes adultes de ru sont capables de former des stéroïdes et de rester viables pendant au moins plusieurs semaines dans ces agrégats. Les hépatocytes restent en contact étroit les uns avec les autres, favorisant la communication cellulaire, ce qui conduit à la stabilisation des fonctions spécifiques des hépatocytes. Mais nous avons également constaté que cette technique classique de culture tridimensionnelle présente plusieurs inconvénients.

La taille des agrégats est critique. Ils peuvent induire une nécrose lorsque le diamètre des agrégats est important, et dans la plupart des cas, le rapport entre le volume de milieu et le nombre de cellules est inapproprié. De plus, les forces de cisaillement et les cultures en agitateur peuvent poser problème.

Les organes et les tissus des organismes vivants sont, entre autres, caractérisés par des densités cellulaires très élevées ; le transport actif dirigé de substances à travers ces couches tissulaires constitue également une caractéristique importante. Par conséquent, les modèles réalistes de tissus in vitro d'organisation tissulaire doivent reproduire au plus près cette architecture naturelle. Un déterminant essentiel de la limitation de tels systèmes est le rapport adéquat entre le volume de milieu et le volume cellulaire.

J'ai mentionné précédemment que nous avons conçu un logement cellulaire approprié, en forme de support polymère microstructuré avec précision, qui offre des compartiments de taille uniforme pour la culture tridimensionnelle d'agrégats cellulaires. Pour le support polymère, nous utilisons de préférence du PMMA ou du polycarbonate polyéther, ou du polycarbonate. Celui-ci se compose d'un dispositif plantaire microstructuré d'un centimètre carré, offrant un réseau dense de plus de 1000 de ces compartiments.

Pour la culture tridimensionnelle d'agrégats cellulaires, il s'est révélé adapté à la culture cellulaire en 3D pendant plusieurs semaines. Chacun de ces petits récipients cubiques dans le réseau possède une longueur d'arête d'environ 300 micromètres. La conception spéciale de cet échafaudage et de la périphérie, c'est-à-dire de la chambre d'incubation.

Le milieu externe et l'apport de gaz permettent différents modes de fourniture du milieu. Premièrement, la superfusion, ce qui signifie que les deux faces du tissu reçoivent séparément un milieu nutritif, et deuxièmement, la perfusion.

Cela signifie que le débit moyen est forcé de pénétrer la couche tissulaire. Le mode de perfusion peut être utilisé pour créer des conditions qui imitent mieux la vascularisation in vivo, mais même un mode mixte de perfusion et de superfusion est possible. Différentes générations de puces à cellules ont été développées.

Chaque génération peut être utilisée avec un certain design afin de répondre aux besoins d'une application spécifique. Par exemple, des conceptions de bioréacteurs simples et doubles ont été réalisées, ainsi que des dispositifs multicellules à titres adressables séparément ou des configurations hautement parallélisées de Variance. Comme versions agrandies de la dernière génération de ces différentes formes, les récipients dits microthermoformés, une technologie particulière a été développée, qui offre la possibilité supplémentaire de modifier toute la surface de ces récipients tridimensionnels, y compris une structuration de surface et un motif à l'échelle submicronique avec des molécules de signalisation.

En outre, des capteurs et des électrodes de signal peuvent être intégrés. Les applications vont de la recherche fondamentale et de la biologie cellulaire à la toxicologie et à la pharmacologie, ainsi qu'à l'analyse à haut débit, qui est également possible. Un point très important à mentionner à la fin est le fait que la dernière génération de nos puces microthermoformées a été optimisée afin de permettre des procédés de production de masse peu coûteux, et donc leur utilisation dans d'autres laboratoires.