Organe sur puce
Développer des modèles cellulaires d’organes sur puce haut débit automatisés en utilisant l’imagerie haut contenu et l’analyse 3D
Que sont les organes sur puce ?
La technologie des organes sur puce (Organ-on-a-chip, OoC) est une technologie qui utilise des techniques de microfabrication pour créer des modèles miniatures d’organes biologiques, tels que le poumon, le cœur ou l’intestin, sur un dispositif de la taille d’une puce. Ces dispositifs microfabriqués sont composés de cellules vivantes cultivées sur une plateforme à microéchelle et imitent la structure et le fonctionnement de l’organe qu’elles représentent. Les cellules sont généralement disposées de façon à imiter la structure tridimensionnelle native de l’organe et sont perfusées avec des fluides, tels que du sang ou de l’air, afin de représenter l’environnement physiologique de l’organe.
La technologie OoC est utilisée pour créer des modèles d’organes et de tissus plus précis et plus fiables pouvant mieux répliquer le micro-environnement complexe et les interactions entre les cellules au sein d’un organe. Les modèles cellulaires 3D peuvent être utilisés pour étudier les maladies, pour le développement de médicaments et la toxicologie de manière plus précise et plus réaliste que les cultures cellulaires 2D traditionnelles.
La puce de culture 64 OrganoPlate® 3-lane et la représentation schématique, ainsi que l’illustration d’un tubule de cellules cultivées sur un gel de MEC.
Fonctionnement de la technologie des organes sur puce
La technologie des organes sur puce se compose généralement d’un matériau polymère moulé dans une forme qui imite certains aspects de la morphologie de l’organe d’intérêt. Les cellules sont ensuite ensemencées sur la puce et peuvent se développer et former des structures 3D fonctionnelles qui ressembleraient à la composition cellulaire et à la structure des tissus. Dans certains cas, la puce peut être conçue pour inclure des canaux microfluidiques imitant le système microvasculaire d’un organe pour apporter un flux sanguin ou d’autres conditions physiologiques, notamment des nutriments et de l’oxygène aux cellules.
Afin d’obtenir une représentation plus réaliste de l’organe d’intérêt, divers types de cellules peuvent être combinés pour former une structure 3D. Ceci peut être réalisé en utilisant différentes couches de cellules ou des matrices à base d’hydrogel pour imiter la matrice extracellulaire de l’organe. Diverses techniques peuvent être appliquées pour imiter le micro-environnement mécanique, électrique et chimique de l’organe. Par exemple, la puce peut être perfusée avec des fluides pour apporter un flux sanguin, ou elle peut être stimulée mécaniquement pour imiter les contractions cardiaques. De plus, des capteurs peuvent être intégrés dans la puce pour mesurer des paramètres tels que l’oxygène, le pH et la température, afin de surveiller la santé et le fonctionnement des cellules.
La puce est placée dans un incubateur où la croissance cellulaire peut être surveillée à l’aide de diverses techniques telles que la microscopie, l’imagerie ou les tests biochimiques. Une fois la puce totalement fonctionnelle, les chercheurs peuvent l’utiliser pour étudier une maladie, pour le développement de médicaments et la toxicologie de manière contrôlée et hautement reproductible. Ceci, car la puce peut être utilisée pour imiter les mêmes conditions, de la même manière, à chaque fois qu’une expérience est réalisée, permettant aux chercheurs de comparer les données de manière cohérente entre différents traitements et expériences.
Automatisation du test des organes sur puce pour le criblage haut débit
Ici, nous décrivons un flux de travail pour l’automatisation de la culture OoC, ainsi que pour la surveillance et l’analyse cellulaire automatisée. La méthode automatisée utilise une cellule de travail intégrée, composée de plusieurs instruments permettant l’automatisation et la surveillance de la culture cellulaire. Le système d’imagerie haut contenu permet de caractériser le développement de modèles cellulaires 3D ainsi que de tester les effets des composés. Le système intégré comprend le système d’imagerie à haut contenu ImageXpress® Micro Confocal, un incubateur à CO2 automatisé, un manipulateur de liquides (Biomek i7) et un robot collaboratif. Nous avons développé des méthodes pour l’automatisation de l’ensemencement cellulaire, l’échange de milieux et pour surveiller le développement et la croissance du système vasculaire 3D. De plus, la méthode facilite l’analyse automatisée des composés et l’évaluation des effets toxiques.
Regardez la présentation du poster OoC par Oksana Sirenko, chercheur senior en applications, sur la façon dont nos solutions d’imagerie haut contenu peuvent extrapoler et automatiser l’imagerie 3D des systèmes d’organes sur puce.
Figure 1 - La disposition des instruments individuels dans la cellule de travail est illustrée dans (A). Les instruments sont contrôlés par un logiciel intégré (Green Button Go) qui permet la configuration des procédés. Un exemple du processus de surveillance des cellules en culture est présenté dans (B). Ici, les plaques sont déplacées de l’incubateur vers le système ImageXpress Confocal HT.ai pour l’imagerie en fond clair, puis de nouveau vers l’incubateur. Le processus peut également être programmé, et les plaques qui doivent être évaluées par imagerie peuvent être saisies sous forme de liste pour faciliter le traitement des lots. Des routines plus complexes comprenant le manipulateur de liquides pour les échanges de milieux (alimentation) peuvent également être mises en œuvre.
Applications et tests des organes sur puce
La combinaison de cette biologie complexe avec des techniques d’imagerie haut contenu avancées et des capacités d’analyse 3D par IA/apprentissage machine offre un niveau de tests jamais atteint auparavant. Ici, nous présentons nos méthodes d’automatisation de la culture cellulaire, des tests et des analyses qui peuvent fournir les outils nécessaires pour faciliter et extrapoler l’utilisation des systèmes des organes sur puce.