Microfluidic devices for vascularized liver organoids - towards the “liver on chip”

Le développement de modèles in vitro reproduisant la fonctionnalité des organes humains est devenu un axe important de la recherche préclinique. Les cultures traditionnelles de cellules humaines en monocouches bidimensionnelles (modèles 2D), bien qu'utiles, ne parviennent souvent pas à reproduire les processus physiologiques complexes nécessaires à l'évaluation fiable de l'efficacité et de la toxicité des médicaments. Cette limitation est particulièrement importante pour les médicaments très spécifiques à la biologie humaine qui deviennent plus difficiles à valider à l'aide de modèles animaux. Au cours des deux dernières décennies, les progrès de l'ingénierie tissulaire ont conduit au développement d'organes sur puce (Organ-on-a-chip, OoC), qui offrent une alternative prometteuse en recréant les microenvironnements et les conditions physiologiques des tissus humains. Parmi ceux-ci, les modèles de foies sur puce (Liver-on-a-chip, LoC) se sont révélés prometteurs dans les études toxicologiques, sachant que les lésions hépatiques induites par les médicaments (drug-induced liver injury, DILI) restent l'une des principales causes de retrait des médicaments du marché. La capacité des LoC à produire des données temporelles pour les études d'absorption, de distribution, de métabolisme, d'excrétion et de toxicité (ADMET), tout en conservant une viabilité à long terme, les rend particulièrement intéressants pour la recherche en toxicité chronique. Le foie est le site principal du métabolisme des xénobiotiques. Réussir à reproduire sa microarchitecture complexe, en particulier les lobules hépatiques, qui sont organisés en travées hépatocytaires radiales perfusées par des capillaires sinusoïdaux, présente donc un intérêt considérable. La polarité des hépatocytes, qui distingue les domaines apical et basolatéral, est essentielle au maintien de la fonction et de l'homéostasie du foie. Les perturbations de cette polarité peuvent être des indicateurs précoces de lésions hépatocellulaires et d'une cholestase induite par les médicaments. Les modèles in vitro actuels, tels que les monocouches et les sphéroïdes d'hépatocytes, ont été optimisés pour mieux imiter les fonctions hépatiques, mais présentent encore des limitations. Les monocouches ne parviennent souvent pas à reproduire l'architecture 3D complexe et la polarité apicale des hépatocytes. Les sphéroïdes permettent un meilleur contact cellule-cellule et une amélioration de la fonctionnalité hépatique à long terme mais distinguent deux populations de cellules, les cellules périphériques et les cellules centrales et empêchent une bonne diffusion de l'oxygène aux cellules centrales. Pour répondre à ces problématiques, cette thèse présente un nouveau modèle de foie sur puce conçu pour améliorer le biomimétisme de la polarité des hépatocytes et l'organisation tissulaire hépatique. Un dispositif microfluidique simulant les conditions de confinement mécanique et de contrainte de cisaille-ment des cordons hépatiques a été conçu. Il favorise notamment la différenciation des hépatoblastes en hépatocytes. Ce nouveau modèle a été validé avec l'utilisation de cellules humaines en comparant les phénotypes des hépatoblastes et des hépatocytes sur une période de culture de deux semaines. Le tissu obtenu présente les caractéristiques d'une travée hépatocytaire avec la formation de longs canalicules biliaires. Le dispositif de foie sur puce proposé représente une avancée significative dans la recherche de modèles in vitro capables de reproduire la complexité physiologique du tissu hépatique. Il devient possible d'envisager le développement d'une plateforme précise destinée aux tests de médicaments et à l'étude des maladies du foie.