Quantification de l’intégrité des barrières dans les plateformes d’organes sur puce
La plateforme EVOM™ Chip fournit des mesures TEER haute fidélité en temps réel, permettant de caractériser la maturation de la barrière et sa perturbation inflammatoire dans les modèles endothéliaux et de barrière hémato-encéphalique (BHE), et ainsi une évaluation standardisée et évolutive de la fonction barrière dans les systèmes microphysiologiques.
Résumé
L’évaluation quantitative en temps réel de l’intégrité de la barrière est fondamentale pour modéliser la physiologie neurovasculaire et la fonction de la barrière hémato-encéphalique (BHE) in vitro. Dans cette étude, la plateforme EVOM™ Chip a été utilisée pour surveiller la résistance électrique transendothéliale (TEER) dans un modèle d’endothélium vasculaire ainsi que dans des modèles de coculture primaire de BHE à trois types cellulaires. Les mesures de TEER ont démontré une formation robuste de la barrière au fil du temps et détecté une perturbation significative de la barrière 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 pour caractériser les dynamiques subtiles de la barrière 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, ce qui fait de leur intégrité un indicateur central dans la modélisation des maladies, la découverte de médicaments et les tests de toxicité. La TEER est une méthode non invasive largement utilisée pour quantifier la formation de la barrière et détecter sa perturbation. La plateforme EVOM™ Chip intègre des électrodes incorporées dans des formats de systèmes microphysiologiques afin de fournir des mesures TEER sensibles et reproductibles, d’éliminer la variabilité manuelle et de permettre une surveillance continue sans intervention. EVOM™ Chip fournit des informations en temps réel et 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 :
- Surveiller la maturation de la barrière endothéliale dans des monocultures de cellules endothéliales vasculaires ombilicales humaines (HUVEC) grâce à une mesure TEER sans intervention, multiplexée et directement sur puce.
- Évaluer le développement de la BHE dans un modèle primaire à trois types cellulaires sur la plateforme SynBBB.
- Quantifier la perturbation inflammatoire de la barrière induite par les cytokines en utilisant la TEER comme indicateur de la perturbation fonctionnelle
Matériels et méthodes
Les HUVEC ont été cultivées sur des dispositifs EVOM™ Chip et surveillées 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 pour favoriser le développement et la maturation de la barrière. Après l’établissement de la barrière, les cultures ont été traitées avec du TNF-α (10 ng/mL) afin d’induire une perturbation de la barrière. L’intégrité de la barrière a été évaluée en quantifiant la TEER sur la plateforme EVOM™ Chip par mesure de la résistance électrique à travers la barrière cellulaire.
Analyse statistique
Les données sont présentées sous forme de moyenne ± SEM. Monoculture de HUVEC, n = 7 ; coculture SynBBB à trois types cellulaires, n = 15. Une ANOVA à un facteur avec comparaisons multiples a été utilisée pour évaluer la signification statistique. Un seuil de signification de p < 0,05 a été appliqué. Niveaux de signification : *** p < 0,001 ; **** p < 0,0001.
Résultats
A. EVOM™ Chip quantifie la formation de la barrière des 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 significativement pour atteindre environ 36 kΩ, indiquant la formation réussie d’une barrière endothéliale étanche. L’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 l’établissement rapide d’une barrière endothéliale hautement intègre.
- L’exposition au TNF-α a entraîné une diminution rapide et quantifiable de la TEER, démontrant la capacité de la plateforme à caractériser une rupture inflammatoire aiguë de la barrière.
- Des différences statistiquement significatives ont été observées entre tous les groupes expérimentaux, malgré une petite taille d’échantillon (n=7, ***p < 0,001, ****p < 0,0001).
Fig. 1 Monoculture de HUVEC sur la plateforme EVOM™ Chip
B. EVOM™ Chip quantifie la formation et la lésion complexes de la BHE. La plateforme SynBBB a été utilisée pour cultiver des cellules primaires de BHE en coculture à trois types cellulaires et a présenté une maturation progressive de la barrière, avec une augmentation de la TEER 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 perturbation de l’intégrité de la BHE.
- Le modèle primaire à trois types cellulaires a présenté un renforcement physiologiquement pertinent de la BHE sur 72 heures, conformément aux interactions coordonnées entre les cellules endothéliales, les astrocytes et les péricytes. 72 heures.
- La stimulation par les cytokines a induit une réduction 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 points temporels, (n=15, ***p < 0,001, ****p < 0,0001).
Discussion
Une mesure précise et quantitative de l’intégrité de la barrière est essentielle pour étudier la biologie vasculaire et modéliser les 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 et non invasive, avec une géométrie constante des électrodes et une stabilité supérieure du signal, essentielles pour caractériser les variations subtiles de la fonction barrière. Dans les monocultures et les cocultures à trois types cellulaires, cette approche a mis 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. En intégrant directement la mesure de la TEER à la plateforme de culture, on obtient une meilleure qualité des données, une reproductibilité accrue et une interprétation plus précise de la dynamique de la barrière en réponse à des stimuli biologiques ou pharmacologiques.
Nous montrons ici que l’EVOM™ Chip peut détecter avec sensibilité les augmentations de la TEER reflétant la maturation de la barrière dans des modèles cellulaires en monoculture et en coculture à trois types cellulaires sur des puces microfluidiques SynBBB, ainsi que quantifier l’effet des cytokines induisant une réponse inflammatoire et endommageant la BHE. Dans les deux modèles, une diminution de la TEER a été observée après traitement au TNF-α, conformément à une perturbation médiée par les cytokines de la structure des jonctions serrées et à une augmentation de la perméabilité de la barrière.
Ces résultats démontrent que la plateforme EVOM™ Chip fournit une méthode sensible, reproductible et non invasive pour surveiller la dynamique des barrières dans un large éventail de modèles in vitro. Cette technologie établit les bases de mesures standardisées fondées sur la TEER dans des modèles de barrières spécifiques aux organes, permettant des applications dans le criblage de médicaments, les études mécanistiques et la modélisation des maladies du cerveau, du foie, des reins, de l’intestin et au-delà.
Ces résultats confirment que la plateforme EVOM™ Chip peut détecter avec sensibilité à la fois la formation de la barrière et son dysfonctionnement induit par les cytokines dans les monocultures endothéliales et les cocultures de BHE à trois types cellulaires.
