Résistance Électrique Transepithéliale (TEER) pour les Plateformes Organ-on-Chip

Les mesures de résistance électrique transepitheliale (TEER) jouent un rôle essentiel dans l’évaluation de la fonction de barrière, de l’intégrité tissulaire et des interactions cellule-cellule dans les plateformes Organ-on-Chip (OoC). La mesure de la TEER consiste à appliquer un petit courant alternatif à travers une monocouche de cellules et à mesurer la résistance à ce courant, ce qui fournit des informations précieuses sur la pertinence physiologique et la fonctionnalité des modèles in vitro, permettant aux chercheurs d’étudier les réponses spécifiques aux organes, les mécanismes de la maladie et les effets des médicaments pendant que les cellules se développent dans un microenvironnement contrôlé. Cet article explorera les applications de la TEER dans les dispositifs OoC, les aspects critiques des mesures de TEER dans les systèmes microphysiologiques, ainsi que les défis et limites à surmonter pour exploiter pleinement le potentiel de cette technologie pour les plateformes OoC.

Par Adrienne L. Watson, PhD, Directrice scientifique principale chez WPI

Applications de la TEER dans les plateformes OoC

Contrôle qualité de fabrication
Les mesures de TEER sont souvent utilisées pour établir les paramètres de base d’un système OoC avant une expérience. En surveillant régulièrement les valeurs de TEER à différentes étapes de la production, les fabricants peuvent évaluer la cohérence et la reproductibilité des propriétés de la barrière cellulaire à travers plusieurs dispositifs OoC. La TEER peut mesurer la porosité d’une membrane dans un dispositif OoC et peut également déterminer quand les cellules ensemencées ont formé une barrière mature et sont prêtes pour les tests. À mesure que les applications OoC sont développées à grande échelle et standardisées, l’importance d’intégrer le contrôle qualité dans le processus de fabrication devient encore plus cruciale, et la TEER est une méthode simple et économique pour garantir que les systèmes OoC sont fabriqués correctement et répondent aux spécifications.

Évaluation de la fonction de barrière
La mesure de la TEER est largement utilisée pour évaluer les propriétés de barrière des couches cellulaires épithéliales et endothéliales dans les modèles OoC. En surveillant les variations des valeurs de TEER au fil du temps, les chercheurs peuvent évaluer la fermeté des jonctions cellulaires, la perméabilité des barrières et l’intégrité des structures tissulaires. Les mesures de TEER sont essentielles pour étudier le transport des médicaments, les réponses immunitaires et la progression des maladies dans les plateformes OoC spécifiques aux organes.

Études de perméabilité des médicaments
La mesure de la TEER est un outil clé pour étudier la perméabilité des médicaments à travers les barrières épithéliales et endothéliales, telles que la barrière hémato-encéphalique, l’épithélium intestinal et l’épithélium alvéolaire pulmonaire. Les variations des valeurs de TEER peuvent indiquer des altérations de la fonction de barrière, des mécanismes de transport des médicaments et des réponses cellulaires aux agents pharmacologiques. Les mesures de TEER fournissent des données quantitatives sur l’absorption, la distribution, le métabolisme et l’excrétion des médicaments dans les modèles OoC, permettant le criblage des médicaments et les tests de toxicité.

Modélisation des maladies et pathophysiologie
La mesure de la TEER permet aux chercheurs de surveiller les modifications des tissus de barrière associées aux conditions pathologiques, aux changements pathologiques et aux réponses inflammatoires dans les modèles OoC. En suivant les valeurs de TEER en temps réel, les chercheurs peuvent simuler des conditions spécifiques à une maladie, telles que l’inflammation, l’infection et les lésions tissulaires, afin d’étudier les mécanismes de la maladie et les interventions thérapeutiques. Les mesures de TEER offrent des informations sur la progression de la maladie, le remodelage tissulaire et l’efficacité des médicaments dans les plateformes OoC spécifiques aux organes.

Aspects critiques des mesures de TEER dans les plateformes OoC

Configuration des électrodes
Les mesures de TEER dans les plateformes OoC sont généralement réalisées à l’aide de configurations d’électrodes en forme de baguettes qui appliquent un petit courant électrique à travers la couche cellulaire et mesurent la résistance résultante. Ces électrodes en forme de baguettes sont des dispositifs portatifs, insérés dans le OoC pour mesurer la TEER à tout moment. Ces configurations de mesure TEER fonctionnent bien pour les systèmes où les points de mesure sont espacés (jours à semaines) et peuvent permettre des lectures à plus haut débit, bien que manuelles. Bien que chaque OoC soit conçu différemment, seuls quelques paramètres doivent être optimisés pour que les électrodes en forme de baguettes fonctionnent pour la mesure de la TEER. Il s’agit de la distance entre les électrodes et de la profondeur à laquelle les électrodes doivent pénétrer dans la puce. Une fois ces paramètres déterminés, des baguettes personnalisées peuvent être fabriquées pour mesurer la TEER sur de nombreux systèmes OoC. Comme ces électrodes sont réutilisables, le coût de cette solution est beaucoup plus faible.

Surveillance en temps réel
Les mesures de TEER peuvent être effectuées en temps réel à l’aide de la spectroscopie d’impédance et de techniques de mesure reposant sur des électrodes intégrées dans le système OoC. La surveillance en temps réel des valeurs de TEER permet aux chercheurs d’évaluer les changements dynamiques de la fonction de barrière, les réponses cellulaires et les effets des médicaments dans les plateformes OoC. Les mesures continues de TEER fournissent des données temporelles précieuses sur le comportement cellulaire, l’intégrité tissulaire et les interactions médicamenteuses dans les modèles spécifiques aux organes. Dans les systèmes où la TEER est mesurée en continu et en temps réel, les systèmes d’électrodes intégrées doivent être hautement personnalisés en fonction de la géométrie du système OoC, de l’emplacement des couches microfluidiques et de l’agencement des chambres cellulaires. Les matériaux de ces électrodes intégrées sont souvent en or ou en platine et permettent une lecture à long terme et continue sur les puces. Des paramètres tels que le matériau des électrodes, la taille et la géométrie des électrodes, ainsi que les techniques de dépôt des électrodes métalliques sur le verre doivent tous être optimisés pour un OoC donné.

Défis et limites de la technologie TEER dans les plateformes OoC

Personnalisation
Chaque système OoC est conçu de manière unique, rendant le type de TEER (baguettes versus intégrée) spécifique à chaque système, et la conception des électrodes doit également être personnalisée pour fournir les meilleures mesures de TEER dans chaque système. Bien que de nombreux paramètres clés aient été établis, chaque OoC doit être testé et validé pour garantir que les mesures de TEER sont reproductibles et fiables.

Variabilité et sensibilité
Les mesures de TEER dans les plateformes OoC peuvent présenter une variabilité et une sensibilité aux conditions expérimentales, aux types cellulaires et aux environnements de culture. Des facteurs tels que les fluctuations de température, la composition du milieu et le positionnement des électrodes peuvent affecter les valeurs de TEER et introduire des erreurs de mesure dans les études OoC. La standardisation des protocoles de mesure TEER et des mesures de contrôle qualité est essentielle pour minimiser la variabilité et assurer la reproductibilité dans les plateformes OoC.

Analyse unicellulaire
Les mesures de TEER dans les modèles OoC fournissent des valeurs de résistance globale à travers les couches cellulaires, limitant la capacité à effectuer une analyse unicellulaire et à évaluer l’hétérogénéité au sein des populations cellulaires. Obtenir des mesures de TEER spatialement résolues et caractériser les réponses des cellules individuelles dans les plateformes OoC peut améliorer la compréhension des interactions cellulaires, des propriétés de la barrière et des réponses aux médicaments dans des modèles tissulaires complexes.

Stabilité à long terme
Les mesures de TEER dans les plateformes OoC peuvent présenter des variations des valeurs de résistance sur des périodes de culture prolongées, affectant la fiabilité et la cohérence des données obtenues lors d’études à long terme. Maintenir la viabilité cellulaire, la fonction de barrière et l’intégrité tissulaire dans les modèles OoC est crucial pour assurer la stabilité à long terme des mesures de TEER et la pertinence des résultats expérimentaux dans les plateformes spécifiques aux organes.

En conclusion, la mesure de la TEER constitue un outil précieux pour évaluer la fonction de barrière, la perméabilité des médicaments et l’intégrité tissulaire dans les plateformes OoC. En surveillant les valeurs de TEER en temps réel, les chercheurs peuvent étudier les réponses spécifiques aux organes, les mécanismes de la maladie et les effets des médicaments dans un microenvironnement contrôlé. Malgré ses applications et ses avantages, la technologie TEER dans les plateformes OoC fait face à des limites liées à la variabilité, à la sensibilité, à l’analyse unicellulaire et à la stabilité à long terme, qui sont toutes activement abordées. Relever ces défis et faire progresser les techniques de mesure TEER dans la recherche OoC peut améliorer la fiabilité, la reproductibilité et la valeur prédictive des modèles in vitro pour le développement de médicaments, la modélisation des maladies et les applications de médecine personnalisée.

Références

1. Kim, H. et al. (2020). « Évaluation de la fonction de barrière dans une plateforme lung-on-chip utilisant la mesure de la résistance électrique transepitheliale. » Lab on a Chip, 20(9), 1565-1576.

2. Zhang, B. et al. (2019). « Mesure de la résistance électrique transepitheliale dans les plateformes organ-on-chip pour les études de perméabilité des médicaments. » Advanced Drug Delivery Reviews, 149, 65-80.

3. Maschmeyer, I. et al. (2015). « Un four-organ-chip pour la co-culture interconnectée à long terme d’équivalents humains d’intestin, foie, peau et rein. » Lab on a Chip, 15(12), 2688-2699.