LiverPearls, une méthode de culture multicellulaire miniaturisée et à haut débit reproduisant l’environnement physiologique et la structure tridimensionnelle du foie humain

LiverPearl / a miniaturized high-throughput tri-culture method that can mimic the physiological environment and tridimensional structure of human liver.

• Auteur / Autrice : Léo Chamayou
• Direction : Jérôme Bibette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 06/02/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie, Biologie, Innovation (Paris) - Chimie, Biologie, Innovation (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Andrew D. Griffiths
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Bibette, Andrew D. Griffiths, Lysiane Richert, Céline Filippi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lysiane Richert, Céline Filippi

Mots clés

Mots clés libres

Foie

Hépatocytes

Culture cellulaire 3D

Coculture

Capsules d'alginate

Sphéroïdes

Liver

Hepatocytes

3D cell culture

Coculture

Alginate capsules

Spheroids

Résumé

L’intérêt pour de nouveaux modèles de foie, plus proches physiologiquement du foie in vivo, est élevé, en particulier en provenance de l’industrie pharmaceutique. En effet, les systèmes standards, tels que la culture en 2D ne sont pas très prédictifs pour certaines études et de meilleurs modèles sont nécessaires, à la fois dans le cadre des études ADME/Tox pour le développement de médicaments ou pour modéliser les nombreuses maladies hépatiques. Afin de reproduire le foie humain, un modèle doit imiter sa structure de façon plus proche que les systèmes en 2D et refléter sa composition cellulaire. Pour produire ce modèle, nous avons utilisé une technologie de micro-encapsulation basée sur la co-extrusion dans l’air d’un jet biphasique, composé d’une phase externe de solution d’alginate et d’une phase interne contenant les cellules. Ce jet est ensuite fragmenté puis l’alginate est réticulé produisant des micro-capsules cœur/coque. La coque poreuse d’alginate protège les cellules du stress mécanique tout en permettant le passage de l’oxygène et des nutriments.Les cellules s’auto-assemblent dans ces capsules en sphéroïdes hépatiques pouvant être cultivés pendant un mois en gardant une bonne fonctionnalité et pouvant être utilisés dans le cadre de criblage à haut-débit. Cette thèse a porté sur l’utilisation de cette technologie pour mettre au point un modèle 3D de foie humain contenant des hépatocytes primaires humains, des cellules de Kupffer, et des cellules endothéliales sinusoïdales. Dans un premier temps, les conditions de culture de ce modèle ont dû être optimisées, notamment le ratio entre les différents types cellulaires et le milieu de culture adapté à ceux-ci. Puis, une fois ces conditions établies, le modèle a été caractérisé, structurellement par microscopie,ainsi que fonctionnellement, par l’étude de l’expression génique de plusieurs protéines hépatiques importantes, telles que les cytochromes P450 ou des récepteurs nucléaires. Des études d’activité enzymatique, de sécrétion d’albumine et d’urée ont également été menées. Ces capsules nous permettent d’obtenir un modèle en 3D, plus proche de la structure du foie humain, et capable de reproduire les interactions complexes entre les différents types cellulaires.

Interest for new and more physiologically relevant liver models is high, particularly from pharmaceutical companies. Standard systems, like 2D culture, are indeed not enough predictive and better models are needed, either for drug candidates screening in ADME/Tox studies or for hepatic diseases modelling. To be closer to the human liver, a new model needs toreplicate liver structure and cellular composition better than the 2D. To this end, we used a micro-encapsulation technology, developed by the laboratory and based on the co-extrusion of a two-phases jet, composed of an alginate external phase and a cell-containing internal phase. This jet is then fragmented into micro-droplets and the alginate reticulated to form core-shell microcapsules. The porous alginate shell protects the cells from shear stress while letting oxygen and nutrients pass, and by preventing cell adhesion, enables the cells to self-assemble into hepatic spheroids which can bekept alive during one month, retain good functionality and can be used for high-throughput screening. This thesis focusedon using this technology to develop a next 3D liver model containing human primary hepatocytes, Kupffer cells and liver sinusoidal endothelial cells. Firstly, culture conditions for this model had to be optimized, particularly the ratio between these different cell types and the culture medium, which had to be suitable for these cell types. Then, once the culture conditions had been established, the model was characterized, structurally by immunofluorescence staining, and functionally by studying gene expression of important liver proteins, like cytochromes P450 or nuclear receptors. Enzymaticactivity, albumin and urea secretion were also studied. These capsules allow us to obtain a model able to replicate the complex interactions between these cell types and structurally closer to the human liver.