Les organoïdes permettent aux chercheurs d'étudier la biologie des tissus avec une fidélité remarquable. En utilisant des systèmes de culture in vitro en 3D pour présenter les caractéristiques clés d'organes spécifiques, ces structures multicellulaires complexes nous donnent des informations physiologiques pertinentes qui ont contribué à faire progresser de nombreux domaines de recherche. L'une des principales limites de la culture traditionnelle d'organoïdes est qu'il s'agit souvent d'un processus à forte intensité de main-d'œuvre, qui nécessite un personnel hautement spécialisé pour atteindre un débit modéré. Grâce au processeur liquide MANTIS® de FORMULATRIX, les chercheurs du laboratoire Shalek du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont pu cribler rapidement plus de 450 petites molécules à différents dosages pour déterminer leur capacité à améliorer la différenciation des cellules PAN dans les organoïdes de l'intestin grêle. Le MANTIS® permet d'atteindre des niveaux de débit jusqu'alors inaccessibles et est essentiel pour progresser dans la compréhension de multiples variations dans un nombre limité d'échantillons.

La barrière épithéliale intestinale est une cible thérapeutique importante

Les barrières tissulaires formées par les cellules de la peau, des voies respiratoires et de l'intestin assurent l'interaction avec l'environnement et la protection contre celui-ci. Elles servent à équilibrer les fluides corporels, les nutriments, les électrolytes et les niveaux de déchets métaboliques, travaillent en étroite collaboration avec le système immunitaire pour assurer la défense contre les agents pathogènes et jouent un rôle important dans la surveillance et l'éradication des tumeurs.

Le dysfonctionnement de la barrière tissulaire est associé à un large éventail de maladies, telles que les infections, le cancer, les allergies et diverses maladies auto-immunes. Bien que les expositions environnementales puissent être atténuées par des thérapies telles que les médicaments antiviraux et les antibiotiques, et que les réponses immunitaires puissent être modifiées à l'aide de vaccins et de l'immunothérapie, dans certains cas, le problème ne peut pas être résolu par les méthodes existantes.

Bien qu'elle soit un composant clé des barrières tissulaires, la barrière épithéliale intestinale a jusqu'à présent été sous-utilisée en tant que cible thérapeutique. En utilisant des systèmes organoïdes pour modéliser les tissus de la barrière épithéliale intestinale de différentes origines, les chercheurs peuvent mieux comprendre ces systèmes complexes, ce qui permettra de développer des thérapies pour traiter un large éventail de maladies.

Des modèles semblables à des organes font progresser la recherche

Les organoïdes représentent l'une des avancées les plus précieuses de la recherche sur les cellules souches de ces dernières années. Issus de cellules souches adultes individuelles, d'échantillons de tissus contenant des cellules souches adultes ou de la différenciation dirigée de cellules souches pluripotentes, les organoïdes contiennent des populations de cellules souches capables de se différencier en types de cellules spécifiques à un organe. Ces cellules présentent une organisation spatiale et une fonction similaires à l'organe qu'elles représentent, donnant naissance à des systèmes physiologiquement pertinents qui imitent les conditions in vivo.

Fig. 1 : Les organes de classe présentent une organisation spatiale et une fonction similaires à celles des organes représentatifs, comme la morphologie des cryptes et des villosités de cet organe de classe de l'intestin grêle.

Les études sur les organoïdes sont limitées par le flux

Il existe une variété de méthodes pour cultiver les organoïdes. Elles comprennent la culture de cellules souches en présence d'une couche nourricière de fibroblastes ou à la surface d'une matrice biomatérielle contrôlée, mais la méthode la plus populaire consiste à encapsuler les cellules souches dans une matrice extracellulaire (MEC) d'origine biologique telle que le Matrigel®. En encapsulant le dôme de Matrigel® inoculé dans une plaque avec un milieu de culture cellulaire contenant des facteurs de croissance spécifiques, les cellules prolifèrent ensuite pour former des structures tridimensionnelles représentatives de l'organe d'intérêt de l'investigateur.

Figure 2 : Le dôme de Matrigel® encapsule les cellules souches et favorise leur prolifération pour former des structures tridimensionnelles physiologiquement pertinentes.

L'inoculation de plaques organoïdes sur le dôme de Matrigel® répond à trois exigences spécifiques : 1) dépôt précis de l'ECM chargé de cellules sur des plaques de culture tissulaire préchauffées, en évitant les bords des puits pour maintenir la forme de dôme nécessaire à une croissance maximale ; 2) manipulation précise dans un très petit volume, car le matériel d'échantillonnage est souvent très limité ; et 3) degré raisonnable de contrôle de la température, car le Matrigel® et les substrats similaires existent sous forme de liquides visqueux à 4°C et nécessitent des surfaces et des environnements chauds pour former des hydrogels polymérisés. Le Matrigel® et les substrats similaires existent sous forme de liquides visqueux à 4°C et nécessitent des surfaces et des environnements chauds pour former des hydrogels durcis.

En raison de ces exigences, la miniaturisation des cultures d'organoïdes à une échelle compatible avec l'équipement de criblage conventionnel (formats de 96/384/1536 puits) est extrêmement difficile. Bien que le processus de dépôt du Matrigel®, plutôt fastidieux et chronophage, puisse être effectué manuellement sur des plaques à 48 puits, le taux de déformation des gouttelettes augmente considérablement lorsque le volume des plaques est plus important, ce qui limite grandement la reproductibilité des expériences.

MANTIS® est une solution de laboratoire pour la recherche sur les organoïdes miniaturisés.

Pour surmonter les limites des méthodes manuelles de dépôt de Matrigel®, les chercheurs du laboratoire Shalek du MIT ont utilisé le processeur liquide MANTIS® de FORMULATRIX pour distribuer des gouttelettes de Matrigel® dans divers formats de plaques (jusqu'à 384 puits). L'objectif de cette étude était de réaliser des activités de criblage de composés à l'aide d'un petit système organoïde intestinal à une échelle adaptée aux méthodes à haut débit.

MANTIS® utilise un distributeur microfluidique à canal unique et sans contact pour délivrer des réactifs individuels dans des puits individuels, un par un, en confinant les fluides dans des puces jetables pour éviter la contamination croisée et en éliminant le besoin de nettoyage. Un CV de moins de 31 TP3T, à la pointe de l'industrie, permet de délivrer des volumes précis jusqu'à 0,1 µL tout en offrant une grande flexibilité de flux de travail grâce à la possibilité d'accueillir de 6 à 48 puces et de traiter des solutions aqueuses jusqu'à 25 cP (équivalent à ~601 TP3T de glycérol à température ambiante).

En plus de ces caractéristiques, le MANTIS a un faible encombrement de seulement 1ft3, ce qui signifie qu'il peut être facilement installé dans des environnements à température contrôlée tels que les réfrigérateurs ou les incubateurs. Il est également compatible avec une large gamme de logiciels et d'instruments de laboratoire, ce qui permet une intégration transparente dans les flux de travail existants.

Figure 3 : MANTIS® a un très faible encombrement et peut être scellé dans un environnement à température contrôlée. Le fait de placer MANTIS® dans un réfrigérateur pendant ce test a permis l'inoculation de plaques de Matrigel® sur une surface chauffée à 4°C (gris = froid, rouge = chaud). Ces conditions sont idéales pour la formation d'un dôme de Matrigel®.

La miniaturisation des cultures d'organoïdes de l'intestin grêle permet d'obtenir des informations essentielles

Ben Mead, chercheur postdoctoral au laboratoire Shalek du MIT, et ses collègues ont utilisé MANTIS® pour miniaturiser un flux de travail existant et cribler une bibliothèque de composés dans un système organoïde de l'intestin grêle afin d'identifier des molécules instrumentales susceptibles d'améliorer la différenciation des cellules PAN. Ces cellules sont les principales cellules productrices d'agents antimicrobiens de l'intestin grêle humain et sont essentielles à la fonction de barrière épithéliale.

Suite à l'application de données de mesures statistiques robustes (non encore publiées), Mead et ses collègues ont identifié un certain nombre de composés en germe. Certains d'entre eux ont fait l'objet d'études de suivi, offrant des opportunités significatives pour décrire de nouvelles cibles biologiques à prendre en compte dans la différenciation ciblée des cellules PAN.

La mise à l'échelle accroît les possibilités de médecine personnalisée

Plusieurs caractéristiques clés de MANTIS® sous-tendent les conclusions des chercheurs du MIT. En utilisant un seul bras libre pour distribuer les gouttelettes de Matrigel®, MANTIS® permet une inoculation précise dans une variété de formats de plaques (jusqu'à 384 puits) afin d'augmenter la taille des expériences. L'instrument peut également accueillir des plaques de 1536 puits afin d'augmenter encore le débit selon les besoins.

Les pointes de pipette lavables et jetables fixées à la puce permettent aux chercheurs du MIT de traiter des volumes d'échantillons limités tout en réduisant les besoins en réactifs et les coûts associés. En outre, le faible encombrement du MANTIS® signifie que l'unité entière peut être facilement installée dans un réfrigérateur standard et combinée à un bloc de préchauffage pour déposer avec précision des gouttelettes de Matrigel® refroidies sur des surfaces de culture tissulaire préchauffées (voir Fig. 4 ) ; cette inoculation sur plaque constitue une amélioration significative par rapport aux techniques manuelles.

MANTIS® réduit considérablement les besoins en réactifs, y compris le volume de Matrigel® par puits, le volume du milieu d'inoculation de la plaque et le nombre d'organoïdes intestinaux à inoculer, tout en réduisant le temps d'inoculation de la plaque.

Des chercheurs du MIT ont démontré que l'approche de miniaturisation offerte par MANTIS® est efficace pour étudier de multiples variations de matériaux finis. Cela permet de détecter des organoïdes à partir de biopsies d'un seul patient et ouvre de nombreuses possibilités pour la médecine personnalisée. Au fur et à mesure que la technologie se développe, l'inclusion de modalités de mesure supplémentaires améliorera encore la fidélité du modèle.

Source : @BostonFummerle

Heure : 2022.01.11