Culture de cellules hépatiques dans des cryogels intégrés en biopuce pour l’ingénierie tissulaire du foie

Cryogel-integrated hepatic cell culture microchips for liver tissue engineering

• Auteur / Autrice : Lilandra Boulais
• Direction : Cécile Legallais, Sidi Bencherif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-ingénierie : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 31/08/2020
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingénierie / BMBI

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymérisation

Alginates

Colloïdes

Tests de toxicité in vitro

Biopuces

Microfluidique

Tissus (histologie) -- Cultures cellulaires

Génie tissulaire

Cultures cellulaires

Hépatocytes

Cellules hépatiques

Foie -- Maladies

Foie

Mots clés libres

Cryogel

Organ-on-chip

Cryogel

Liver

Alginates

Microfluidics

Tissue engineering

In vitro models

Biochips

Liver cells

Cell culture

Tissue culture

In vitro toxicity tests

Polymerization

Résumé

L’un des enjeux de l’industrie pharmaceutique aujourd’hui est de développer des modèles de foie in vitro fidèles pour améliorer la prédictivité des études précliniques, notamment l’étude de la toxicité et de l’efficacité des médicaments candidats. Ces dernières années, l’ingénierie tissulaire, approche multidisciplinaire pour développer des tissus, a mené au développement de nouvelles méthodes de culture cellulaire. Parmi elles, les cultures de cellules en 3D ou en perfusion ont permis d’obtenir des activités hépatiques similaires à celles observées in vivo. L’objectif de cette thèse est de combiner ces deux méthodes de culture cellulaire pour créer un modèle de foie in vitro encore plus fidèle. Pour cela, nous cherchons à développer un cryogel d’alginate intégré en micropuce avec des propriétés mécaniques adaptables à celles du foie en fonction de l’état physiologique à reproduire (foie sain ou pathologique). Dans la première partie, nous développons et caractérisons le cryogel d’alginate au niveau microscopique et macroscopique, à l’extérieur (échantillons cylindriques) puis à l’intérieur de la biopuce. Trois paramètres sont étudiés ici : la température de cryopolymérisation, la concentration d’alginate ainsi que la quantité d’agents réticulants. Les propriétés mécaniques, la porosité, l’absorption, l’interconnectivité des pores et la résistance au flux sont analysés.La deuxième partie vise à cultiver des cellules hépatiques au sein de ce nouveau dispositif. Pour cette étude de faisabilité la lignée cellulaire HepG2/C3A est utilisée. Les résultats montrent des cellules viables et fonctionnelles (production d’albumine, transformation d’APAP). De plus, nous observons une structure tissulaire 3D, qui se maintient après retrait du cryogel d’alginate. La dernière partie a pour but de complexifier le modèle hépatique, notamment par des co-cultures. Pour se rapprocher de la structure du sinusoïde, des cellules hépatiques sont cultivées avec des cellules endothéliales (HUVEC) selon deux approches. De plus, la possibilité de suivre des cellules tumorales circulantes (MDA-MB-231) dans le système est étudiée.

Today, one of the challenges for the pharmaceutical industry is to develop accurate in vitro liver models to improve the predictability of preclinical studies, in particular the study of the toxicity and efficacy of drug candidates. In recent years, tissue engineering, a multidisciplinary approach to develop tissues, has led to the development of new cell culture methods. Among them, cell cultures in 3D or in perfusion allowed to obtain hepatic activities similar to those observed in vivo. The objective of this thesis is to combine these two cell culture methods to create an even more accurate in vitro liver model. To do so, we are seeking to develop an alginate cryogel integrated into a microchip with mechanical properties adaptable to those of the liver depending on the physiological state to be reproduced (healthy or pathological liver).In the first part, we develop and characterize the alginate cryogel at the microscopic and macroscopic level, outside (cylindrical samples) and then inside the biochip. Three parameters are studied here: the cryopolymerization temperature, the alginate concentration and the quantity of cross-linking agents. Mechanical properties, porosity, absorption, pore interconnectivity and flow resistance are analyzed. The second part aims to culture liver cells within this new device. For this feasibility study the HepG2/C3A cell line is used. The results show viable and functional cells (albumin production, APAP transformation). In addition, we observe a 3D tissue structure, which is maintained after removal of the alginate cryogel. The last part aims to complexify the hepatic model, in particular by co-cultures. To get closer to the sinusoid structure, liver cells are cultured with endothelial cells (HUVEC) according to two approaches. In addition, the possibility to follow circulating tumor cells (MDA-MB-231) in the system is studied.