Quantification de l’intégrité des barrières dans les plateformes d’organes sur puce
La plateforme EVOM™ Chip fournit des mesures de TEER de haute fidélité en temps réel, qui révèlent la maturation des barrières et leur perturbation inflammatoire dans les modèles endothéliaux et de BHE, permettant une évaluation standardisée et évolutive de la fonction des barrières dans les systèmes microphysiologiques.
Résumé
L’évaluation quantitative en temps réel de l’intégrité des barrières est essentielle à la modélisation de la physiologie neurovasculaire et de la fonction de la barrière hémato-encéphalique (BHE) in vitro. Dans cette étude, la plateforme EVOM™ Chip a été utilisée pour suivre la résistance électrique transendothéliale (TEER) dans des modèles d’endothélium vasculaire et de triculture primaire de la BHE. Les mesures de TEER ont démontré une formation robuste de la barrière au fil du temps et détecté une perturbation importante de celle-ci après exposition à la cytokine pro-inflammatoire facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-α). Ces résultats établissent la plateforme EVOM™ Chip comme une solution hautement sensible, standardisée et évolutive permettant de caractériser les changements subtils des barrières et les réponses inflammatoires dans des modèles avancés de culture cellulaire.
Introduction
Les tissus formant une barrière, tels que l’endothélium vasculaire et la BHE, régulent étroitement les échanges moléculaires et l’homéostasie tissulaire, faisant de leur intégrité un indicateur essentiel pour la modélisation des maladies, la découverte de médicaments et les tests de toxicité. La TEER est une méthode largement utilisée et non invasive pour quantifier la formation de barrières et détecter leur perturbation. La plateforme EVOM™ Chip intègre des électrodes dans des systèmes microphysiologiques afin de fournir des mesures de TEER sensibles et reproductibles, en éliminant la variabilité manuelle et en permettant un suivi continu sans intervention. EVOM™ Chip fournit en temps réel des informations de haute fidélité sur la dynamique des barrières cellulaires, tout en établissant une approche standardisée de la mesure de la TEER.
Cette note d’application montre comment la plateforme EVOM™ Chip est utilisée pour :
- Suivre la maturation de la barrière endothéliale dans des monocultures de cellules endothéliales vasculaires du cordon ombilical humain (HUVEC) grâce à la mesure multiparamétrique de la TEER sur puce, sans intervention manuelle.
- Évaluer le développement de la BHE dans un modèle de triculture primaire sur la plateforme SynBBB.
- Quantifier la perturbation inflammatoire de la barrière induite par les cytokines à l’aide de la TEER comme indicateur de perturbation fonctionnelle
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Matériels et méthodes
Des HUVEC ont été cultivées sur des dispositifs EVOM™ Chip et suivies pendant 48 heures afin d’évaluer la formation de la barrière. Un modèle primaire de BHE composé de cellules endothéliales, d’astrocytes et de péricytes a été établi et cultivé pendant 72-heures afin de favoriser le développement et la maturation de la barrière. Après la mise en place de la barrière, les cultures ont été traitées avec du TNF-α (10 ng/mL) pour induire une perturbation de la barrière. L’intégrité de la barrière a été évaluée en quantifiant la TEER sur la plateforme EVOM™ Chip, en mesurant la résistance électrique à travers la barrière cellulaire.
Analyse statistique
Les données sont présentées sous forme de moyenne ± SEM. Monoculture de HUVEC, n = 7 ; tri-culture SynBBB, n = 15. Une ANOVA à un facteur avec comparaisons multiples a été utilisée pour évaluer la significativité statistique. Un seuil de significativité de p < 0.05 a été appliqué. Niveaux de significativité : *** p < 0.001 ; **** p < 0.0001.
Résultats
A. La puce EVOM™ quantifie la formation de la barrière HUVEC et sa perturbation médiée par les cytokines. Les valeurs de résistance initiales étaient en moyenne d’environ 15 kΩ. Après 48 -heures de culture, la TEER a augmenté de manière significative pour atteindre environ 36 kΩ, indiquant la formation réussie d’une barrière endothéliale étanche. Une exposition au TNF-α (10 ng/mL) pendant 4 -heures a réduit la résistance à environ 29–30 kΩ, démontrant une perte mesurable de l’intégrité de la barrière.
- Les valeurs de TEER ont plus que doublé au cours de la maturation de la monocouche, reflétant la mise en place rapide d’une barrière endothéliale hautement intègre.
- L’exposition au TNF α a entraîné une baisse rapide et quantifiable de la TEER, démontrant la capacité de la plateforme à détecter une dégradation aiguë de la barrière due à l’inflammation.
- Des différences statistiquement significatives ont été observées entre tous les groupes expérimentaux, malgré la petite taille de l’échantillon (n=7, ***p < 0.001, ****p < 0.0001).
Fig. 1 Monoculture de HUVEC sur la plateforme EVOM™ Chip
B. La puce EVOM™ quantifie la formation et les lésions complexes de la BHE. La plateforme SynBBB a été utilisée pour cultiver des cellules de BHE en tri-culture primaire et a montré une maturation progressive de la barrière, avec une TEER passant d’environ 14–15 kΩ au départ à environ 25–26 kΩ après 72- -heures de culture. Après exposition au TNF-α, la résistance a diminué pour atteindre environ 21–22 kΩ, indiquant une altération de l’intégrité de la BHE.
- Le modèle de tri-culture primaire a présenté un renforcement de la BHE physiologiquement pertinent au cours de 72 heures, conformément aux interactions coordonnées entre les cellules endothéliales, les astrocytes et les péricytes.
- La stimulation par les cytokines a entraîné une diminution nette de la TEER, confirmant la réactivité du modèle au stress inflammatoire et la sensibilité de la plateforme aux perturbations subtiles de la BHE.
- Des différences statistiquement significatives ont été observées entre tous les temps de mesure (n=15, ***p < 0.001, ****p < 0.0001).
Discussion
La mesure précise et quantitative de l’intégrité des barrières est essentielle à l’étude de la biologie vasculaire et à la modélisation des mécanismes des maladies neurovasculaires. L’intégration directe de la TEER dans les systèmes d’organes sur puce grâce à l’architecture d’électrodes intégrées de WPI offre un avantage majeur par rapport aux sondes manuelles traditionnelles, qui nécessitent un positionnement manuel, introduisent une variabilité liée à l’opérateur et perturbent les conditions de culture à chaque mesure. Les électrodes intégrées restent fixes dans le dispositif, permettant une surveillance continue, sans intervention manuelle et non invasive, avec une géométrie d’électrodes constante et une excellente stabilité du signal, essentielle pour détecter les changements subtils de la fonction de barrière. Dans les monocultures d’endothélium comme dans les tricultures, cette approche a permis de mettre en évidence de nettes augmentations de la TEER pendant la maturation de la barrière et des diminutions rapides après une stimulation inflammatoire, démontrant l’importance d’intégrer la TEER comme mesure fonctionnelle en temps réel. L’intégration de la mesure de la TEER directement dans la plateforme de culture garantit une meilleure qualité des données, une reproductibilité accrue et une interprétation plus précise de la dynamique des barrières en réponse à des stimuli biologiques ou pharmacologiques.
Nous démontrons ici que la puce EVOM™ peut détecter avec sensibilité les augmentations de TEER reflétant la maturation de la barrière, tant dans les modèles cellulaires en monoculture qu’en triculture sur des puces microfluidiques SynBBB, ainsi que quantifier l’effet des cytokines dans l’induction d’une réponse inflammatoire et l’endommagement de la BHE. Dans les deux modèles, une diminution de la TEER a été observée après le traitement au TNF-α, conformément à la perturbation des jonctions serrées induite par les cytokines et à l’augmentation de la perméabilité de la barrière.
Ces résultats démontrent que la plateforme EVOM™ Chip offre une méthode sensible, reproductible et non invasive pour surveiller la dynamique des barrières dans divers modèles in vitro. Cette technologie constitue une base pour des mesures de TEER standardisées dans les modèles de barrières spécifiques à chaque organe, permettant des applications dans le criblage de médicaments [inotamment le criblage à haut débit avec
Ces résultats confirment que la plateforme EVOM™ Chip peut détecter avec sensibilité la formation de la barrière et le dysfonctionnement de la barrière induit par les cytokines, dans des monocultures d’endothélium et des tricultures de la BHE.
