Organoïdes en recherche biomédicale : opportunités et défis
Les organoïdes sont des modèles tridimensionnels miniatures d'organes et de tissus cultivés in vitro à partir de cellules souches ou d'autres cellules progénitrices capables de se différencier en un type cellulaire présent dans un organe ou tissu donné. Ils imitent étroitement la structure et la fonction des organes humains, ce qui en fait des outils précieux pour étudier le développement humain, la modélisation des maladies, la découverte de médicaments et la médecine personnalisée.
Par Adrienne L. Watson, PhD
Directeur scientifique, World Precision Instruments
Applications des organoïdes
Les organoïdes ont un large éventail d'applications en recherche biomédicale et en développement de médicaments :
- Modélisation des maladies : Les organoïdes ont été utilisés avec succès en combinaison avec l'édition génétique et dérivés de patients pour modéliser des maladies telles que le cancer, la fibrose kystique et les troubles neurodégénératifs, fournissant des informations précieuses sur la progression des maladies et la réponse aux traitements. Ces organoïdes modèles de maladies ont permis aux chercheurs d'étudier les mécanismes sous-jacents des maladies dans un modèle plus pertinent physiologiquement. De meilleurs modèles précliniques de maladies peuvent conduire à une meilleure compréhension de la progression des maladies et au développement de stratégies de traitement personnalisées, donnant aux organoïdes un avantage sur des modèles biologiques moins complexes.
- Criblage de médicaments : Les organoïdes offrent une plateforme pour le criblage et le test de médicaments qui ressemble davantage à la physiologie humaine comparée aux cultures cellulaires bidimensionnelles traditionnelles. Les organoïdes sont uniques en ce qu'ils sont souvent plus pertinents physiologiquement que d'autres modèles de culture cellulaire, tout en étant moins complexes et difficiles à étudier que les modèles animaux. La capacité à analyser un grand nombre d'organoïdes en laboratoire peut être exploitée pour identifier efficacement des agents thérapeutiques potentiels, évaluer la toxicité et l'efficacité, et prédire les réponses aux médicaments de manière plus précise et efficiente.
- Biologie du développement : Les organoïdes peuvent être utilisés pour étudier les processus de croissance des organes, de génération des tissus et d'autres processus biologiques essentiels durant le développement. En manipulant les conditions de culture, les chercheurs peuvent examiner comment des types cellulaires spécifiques interagissent et se différencient pour former des structures complexes, fournissant des informations sur le développement normal et les approches potentielles de la médecine régénérative.
- Médecine de précision: Les organoïdes ont le potentiel de faire progresser la médecine personnalisée en permettant de tester les réponses aux médicaments et les options de traitement sur des modèles d'organoïdes spécifiques aux patients. En isolant des cellules spécifiques au patient ou en utilisant l'édition génétique pour effectuer des modifications associées à diverses maladies ou phénotypes, les organoïdes peuvent être exploités pour identifier les thérapies les plus efficaces pour chaque patient en fonction de leur profil génétique unique et des caractéristiques de leur maladie.
- Mécanismes de la maladie et physiopathologie: Les organoïdes offrent une plateforme pour étudier les mécanismes moléculaires et cellulaires sous-jacents à la pathogenèse des maladies. En analysant les modèles d'organoïdes, les chercheurs peuvent obtenir des informations sur la progression des maladies, identifier les voies de signalisation clés et découvrir des cibles thérapeutiques potentielles pour l'intervention.
Évolution des organoïdes
Les organoïdes ont été rendus possibles dans les années 2000, lorsque les méthodes pour cultiver des structures spécifiques d'organes à partir de cellules souches ont été développées pour la première fois. Depuis, le domaine s'est rapidement étendu, avec des avancées et améliorations technologiques permettant la génération d'organoïdes plus complexes et fonctionnels. Les technologies clés soutenant le développement de milieux de culture spécialisés, d'échafaudages 3D et de systèmes microfluidiques pour soutenir la croissance et la maturation des organoïdes ont amélioré la capacité des chercheurs à réaliser des modélisations biologiques et pathologiques avec les organoïdes. De plus, les technologies d'analyse des organoïdes ont permis d'utiliser cette plateforme pour comprendre les mécanismes des maladies et, surtout, pour effectuer des criblages thérapeutiques et la découverte de médicaments.
Avantages des organoïdes en recherche
Les organoïdes offrent plusieurs avantages par rapport à d'autres modèles de recherche et précliniques, mais présentent aussi des limites :
Culture cellulaire standard
Les organoïdes offrent un modèle plus physiologiquement pertinent comparé à la culture cellulaire 2D traditionnelle. Les organoïdes reproduisent la complexité et l'architecture des vrais organes, permettant une représentation plus précise de la structure et de la fonction des tissus. Ils peuvent également mieux reproduire les phénotypes de maladies et les réponses aux médicaments. Cependant, les organoïdes peuvent être plus difficiles à établir et à maintenir comparés aux cultures cellulaires standard, nécessitant des protocoles spécialisés et une expertise. Les protocoles disponibles pour les organoïdes ne sont pas aussi bien établis que ceux des cultures cellulaires standard, ce qui entraîne des problèmes de standardisation et un besoin important de ressources pour établir ces modèles.
Culture cellulaire 3D
Bien que les organoïdes et les cultures cellulaires 3D impliquent la croissance des cellules en trois dimensions, les organoïdes sont des structures plus complexes qui imitent étroitement l'organisation et la fonction des vrais organes. Les organoïdes contiennent plusieurs types cellulaires et présentent des fonctions spécifiques aux tissus, ce qui les rend plus adaptés à la modélisation du développement des organes, des maladies et des réponses aux médicaments. En revanche, les cultures cellulaires 3D se concentrent généralement sur la croissance d'un seul type cellulaire ou d'une structure multicellulaire simple. Les organoïdes peuvent être plus difficiles à établir, car le développement de structures complexes nécessite souvent des conditions de croissance et de développement spécifiques avec une organisation particulière, souvent difficile à reproduire en culture. Cela rend les organoïdes coûteux et difficiles à mettre en place et à expérimenter.
Systèmes organ-on-chip
Les organoïdes et les technologies organ-on-chip peuvent être des approches complémentaires pour modéliser la physiologie humaine et les maladies. Alors que les organoïdes combinent souvent physiquement différents types cellulaires, les systèmes organ-on-chip utilisent la microfluidique et des barrières pour imiter l'interaction dynamique entre les cellules. Les systèmes organ-on-chip offrent un contrôle précis sur le microenvironnement et les interactions entre de nombreux types cellulaires et fluides. Alors que les organoïdes imitent généralement un seul tissu ou organe, les dispositifs organ-on-chip peuvent modéliser de nombreux tissus et organes différents ainsi que leurs interactions.
Modèles animaux
Les organoïdes offrent une alternative éthique et moins coûteuse aux modèles animaux pour étudier la biologie humaine et les maladies. Les organoïdes peuvent être dérivés de cellules humaines, permettant aux chercheurs d'examiner les mécanismes des maladies et les réponses aux médicaments dans un contexte spécifique au patient. Cependant, les organoïdes ne reproduisent pas toujours pleinement les interactions systémiques et la complexité des organismes entiers, ce qui limite leur utilité pour certaines questions de recherche. Les modèles animaux restent précieux pour étudier les processus physiologiques complexes, les réponses de l'organisme entier et les tests de médicaments in vivo. De plus, les animaux fournissent une plateforme pour comprendre la distribution et le dosage des médicaments, et permettent des imageries cliniques, des interventions chirurgicales et d'autres procédures qui ne peuvent pas être reproduites avec des systèmes in vitro.
Marché émergent des organoïdes
Le marché des organoïdes devrait connaître une croissance significative dans les années à venir à mesure que cette technologie devient plus répandue et accessible. Plusieurs entreprises et institutions de recherche sont activement impliquées dans le développement et la commercialisation de produits et services basés sur les organoïdes. Le marché mondial des organoïdes devrait atteindre 1,6 milliard de dollars d'ici 2025, porté par la demande croissante de médecine personnalisée et le besoin de modèles précliniques plus prédictifs.
World Precision Instruments (WPI) propose aujourd'hui des produits et technologies pour soutenir la recherche sur les organoïdes, de la même manière que WPI soutient le développement et l'évaluation d'autres modèles précliniques, des modèles standard de culture cellulaire aux organes-sur-puce et modèles animaux. Les organoïdes offrent une plateforme préclinique que WPI soutient actuellement en proposant des fournitures de laboratoire et consommables pour les expériences de culture cellulaire, des équipements de microscopie standard et d'imagerie cellulaire en temps réel pour visualiser les organoïdes, ainsi que des technologies microfluidiques qui favorisent la croissance, l'entretien et l'analyse des organoïdes. Les organoïdes manquent souvent de certains types cellulaires et ne peuvent pas représenter les interactions entre plusieurs tissus et organes. De plus, l'incapacité à modéliser les systèmes vasculaire et lymphatique constitue une autre limite des organoïdes. En combinant les organoïdes avec des dispositifs microfluidiques tels que les organes-sur-puce et d'autres systèmes microphysiologiques, les chercheurs peuvent créer des modèles plus physiologiquement pertinents qui intègrent des aspects des deux technologies et améliorent la précision des tests médicamenteux et de la modélisation des maladies utilisant les organoïdes. WPI s'engage à soutenir les technologies qui font progresser et synergiquent avec les organoïdes, y compris les systèmes organes-sur-puce, la microfluidique et l'édition génomique.
L'une des technologies fondamentales de WPI, les mesures de résistance électrique transepitheliale (TEER) a été intégrée dans la recherche sur les organoïdes et a permis aux chercheurs de surmonter certaines des limites actuelles de cette recherche. La TEER est réalisée sur les cellules utilisées pour les organoïdes avant leur génération pour une validation fonctionnelle et un contrôle qualité, réduisant ainsi l'hétérogénéité souvent observée dans les organoïdes et améliorant la reproductibilité. En qualifiant les cellules avant la génération des organoïdes, les chercheurs peuvent standardiser leur matériel de départ et leurs protocoles afin de réduire la variabilité et de générer des données plus significatives. Les organoïdes peuvent être difficiles à évaluer fonctionnellement, la microscopie étant l'outil principal utilisé ; cependant, la TEER offre une méthode non invasive pour mesurer l'intégrité de la barrière et fournir une lecture fonctionnelle des organoïdes. Au cours des deux dernières années, plusieurs publications ont démontré l'utilité des mesures TEER dans la recherche sur les organoïdes :
Varani et al., Les interactions cellule-matrice contribuent à la fonction de barrière dans les organoïdes du côlon humain., 2019.
La technologie EVOM de WPI a permis des mesures TEER pour évaluer l'interaction entre les cellules et la membrane basale dans des organoïdes du côlon humain, démontrant que les interactions cellule-matrice contribuent significativement à l'intégrité de la barrière dans le côlon.
Hori et al. Modèles d'organoïdes basés sur des cellules souches trophoblastiques de la barrière placentaire humaine, 2024.
Les mesures TEER rendues possibles par l'instrumentation EVOM de WPI ont permis de démontrer l'intégrité de la barrière et le niveau de maturation du modèle d'organoïde placentaire humain dérivé de cellules souches trophoblastiques, fournissant un modèle idéal pour comprendre comment faciliter le développement de médicaments permettant ou évitant le passage de composés à travers la barrière placentaire.
Varani et al., Une intervention multi-minérale pour contrer l'activité pro-inflammatoire et améliorer la barrière dans des organoïdes du côlon humain, 2023.
La TEER a été mesurée à l'aide de la technologie EVOM™ de WPI pour démontrer l'effet de divers composés sur l'intégrité de la barrière du côlon humain enflammé, modélisé à l'aide d'organoïdes coliques humains.
Warschkau et al., Du 3D au 2D : Harmonisation des protocoles pour les cultures bidimensionnelles sur inserts de culture cellulaire d'organoïdes intestinaux de diverses espèces, 2022.
Le Millicel ERS-2 fabriqué par WPI a été utilisé pour optimiser le développement des organoïdes à partir de cultures 2D afin d'imiter la fonction de barrière tissulaire et développer des jonctions serrées électrophysiologiques dans des cultures fonctionnelles d'organoïdes.
Salari et al. Coculture colonoïde-myofibroblaste humain pour l'étude du Na apical+/H+ Échangeurs de la région inférieure du col du crypt, 2023.
Les mesures TEER EVOM™ de WPI ont été utilisées pour quantifier la fonctionnalité du transport paracellulaire des cellules myofibroblastes-colon épithéliales en coculture par rapport aux cellules en monoculture, démontrant que la fonctionnalité spatialement organisée des cryptes coliques est mieux modélisée dans un système d'organoïdes.
Deleu et al., Une concentration élevée d'acétate protège la barrière intestinale et exerce des effets anti-inflammatoires dans des cultures en monocouche épithéliale dérivées d'organoïdes de patients atteints de colite ulcéreuse, 2023.
La TEER mesurée avec EVOM™ a été utilisée pour évaluer précliniquement les effets de concentrations élevées d'acétate sur l'inflammation et l'intégrité de la barrière dans des cultures en monocouche basées sur des organoïdes provenant de patients atteints de colite ulcéreuse.
En résumé, les organoïdes sont devenus un outil puissant pour faire progresser la recherche biomédicale et le développement de médicaments, offrant des avantages uniques par rapport à la culture cellulaire standard, la culture cellulaire 3D, les systèmes organ-on-a-chip et les modèles animaux. WPI soutient les plateformes de recherche sur les organoïdes et la technologie TEER de WPI a été essentielle pour évaluer fonctionnellement les organoïdes en termes d'intégrité de la barrière et de découverte et développement de médicaments. WPI continue de développer et d'intégrer des technologies supplémentaires clés pour surmonter les limites actuelles des organoïdes, ouvrant la voie à une adoption généralisée de cette technologie dans différents laboratoires étudiant diverses maladies. En tirant parti des forces de plusieurs modèles in vitro et précliniques et en abordant leurs limites respectives, les chercheurs peuvent développer des modèles plus prédictifs et translationnels pour étudier la biologie humaine et les maladies.
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