Organoïde intestinal de SourisImage TEM faible grossissement d'un organoide intestinal de souris KO pour AP-1m2 (Ophélie Nicolle - Aurélien Bidaud-Meynard)
Organoïde intestinal de SourisImage TEM d'entérocytes polarisés d'un organoide intestinal de souris WT (Ophélie Nicolle - Aurélien Bidaud-Meynard)
Organoïde intestinal de SourisImage TEM d'une inclusion microvillositaire cytoplasmique d'un organoide intestinal de souris KO pour Munc18-2 (Ophélie Nicolle - Aurélien Bidaud-Meynard)
Structure 3D Blastocyst-likeJaune : jonctions serrées/marquage ZO-1 ; Magenta : jonctions adhérentes/marquage CDH1 ; Cyan : marquage aPKC/molécule domaine apical) ; from Kagawa et al., 2021.
BlastoïdeObtenu à partir d'iPSC humaines (Rouge : cellules de l’épiblaste EPI-like/marquage NANOG ; Vert : cellules de l’endoderme primitif PrE-like/marquage GATA4 ; Bleu : cellules du trophectoderme TE-like/marquage GATA3)
B4_blastocysteBleu : marquage NANOG ; Vert : marquage NR2F2 ; Magenta : marquage RXRA).
Intérêt des modèles 3D
Les progrès des dernières décennies en termes de culture et de différenciation des cellules souches, ainsi que de culture en 3D, ont permis l’émergence des organoïdes, modèles intermédiaires entre les cultures cellulaires en monocouche et les modèles in vivo. Ces modèles tri-dimensionnels permettent de se rapprocher des conditions physiologiques, et présentent l’avantage d’être produits dans la même espèce, contrairement aux modèles animaux, ce qui va incrémenter la connaissance des évènements moléculaires dans la pathologie des tissus et la prédictibilité des molécules en développement.
Ces technologies en plein essor répondent à l’exigence de réduction des modèles animaux selon le principe des 3R (FC3R).
Les Organoïdes
La définition des organoïdes fait toujours débat.
Aujourd’hui, un organoïde se définit comme une structure cellulaire tri-dimensionnelle, dont les cellules sont capables d’auto-organisation, d’auto-renouvellement, et de différenciation en différents types cellulaires du tissu originel, capables d’assurer au moins une des fonctions de ce tissu, et ayant conservé l’identité de l’organe ou du tissu dont ils sont issus. L’organoïde synthétise partiellement la complexité du tissu d’origine, en mimant son architecture et certaines de ses fonctions spécifiques.
Néanmoins, l’identité n’est pas complète et l’on ne peut pas à proprement parler de mini-organe, étant donnée l’absence d’autres acteurs physiologiques tels que les systèmes vasculaire et immunitaire.
Organoïde intestinal de souris présentant plusieurs lumières (Bleu : noyaux ; vert : F-actin ; rouge : ZO-1) par Maxime Mahé
Types de modèles cellulaires 3D
En fonction de la question scientifique soulevée, les chercheurs disposent de différents modèles de culture 3D de complexité variable, allant de :
- Sphéroïdes produits essentiellement à partir de lignées cellulaires et consistant en objets tri-dimensionnels obtenus en empêchant l’attachement des cellules au support de culture et en favorisant leur co-agrégation. On peut aussi trouver dans cette catégorie les sphéroïdes hétérotypiques avec co-culture avec cellules stromales (CAF, cellules immunes, cellules endothéliales vasculaires ou lymphatiques, adipocytes, péricytes) pour intégrer des éléments du microenvironnement;
- Organoïdes dérivés de cellules souches adultes multipotentes du tissu étudié, constitués d’un seul type de lignage ;
- Organoïdes dérivés de cellules souches pluripotentes (induites ou embryonnaires) pouvant reconstituer les différents lignages cellulaires du tissu étudié.
Sphéroïde tumoral multi-cellulaire (MCTS) de Mésothéliome pleural malin incluant des macrophages (magenta) en microscopie confocale par Christophe BLANQUART
Les recherches en cancérologie peuvent faire appel à des :
- Sphéroïdes tumoraux multicellulaires (MTS), issus de lignées cellulaires établies, en conditions de culture conventionnelle ;
- Tumorosphères produites à partir de tissu tumoral dissocié ;
- Tumoroïdes développés à partir de tumeurs primaires ou de xénogreffes dérivées de patients (PDX), après dissociation et purification des cellules tumorales, en conditions de culture proches de celles utilisées pour la culture des organoïdes (matrice et facteurs de croissance spécifiques) et optimisés pour préserver l’auto-renouvellement et la différenciation des cellules souches cancéreuses.
- Organoïdes « normaux » soumis à des altérations tumorigènes.
Applications
Les organoïdes permettent de suivre la dynamique du développement des organes, et leur transformation, et sont donc d’un intérêt majeur dans la recherche en biologie du développement, en physio-pathologie, pour le développement et l’évaluation de thérapies, pour la médecine de précision et la médecine régénératrice.
Bleu : noyaux ; Rouge : Jonctions/marquage ZO-1). Par Yannick Arlot
Problématiques
Les verrous et obstacles à la production des organoïdes concernent :
- Production à grande échelle
- Reproductibilité/Standardisation des protocoles
- Contrôle de l’instabilité génomique des cellules souches
- Présence de cellules souches résiduelles après différenciation
- Immunogénicité des cellules souches
L’analyse et la caractérisation des organoïdes et autres modèles 3D soulèvent des problèmes techniques pour :
- la préparation des échantillons avant analyse par :
- Cytométrie ou transcriptomique (dissociation)
- Génomique (multiplexage)
- Imagerie 3D (transparisation)
- le traitement et la gestion des données volumineuses générées par ces analyses.